Functional analysis of small molecule glycosyltransferases from plants by aglycone libraries

• Applicants: Professor Dr. Wilfried Schwab; Professor Dr. Matthias Wüst
• Subject Area: Plant Biochemistry and Biophysics ; Food Chemistry ; Plant Physiology
• Term: from 2016 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 312032787

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Die Fähigkeit von Glykosyltransferasen (GT), die Flüchtigkeit zu verringern, die Löslichkeit zu erhöhen und somit die Bioverfügbarkeit kleiner Moleküle durch Glykosylierung zu verändern, hat in der pharmazeutischen, nutrazeutischen und kosmetischen Industrie große Aufmerksamkeit erregt. Die geringe Anzahl bekannter GT und der Mangel an verfügbaren Hochdurchsatzmethoden (HTP) zur Charakterisierung neuer GT erschwert die weitere Entwicklung neuer Anwendungsgebiete. In dieser Studie wurde die Anwendbarkeit verschiedener GT-Assays, die für das HTP-Screening geeignet sind, mit pflanzlichen GT getestet und im Hinblick auf ihre Unbedenklichkeit, Robustheit, Kosteneffizienz und Reproduzierbarkeit verglichen. Zwei Assays waren für die HTP-Aktivitätsbestimmung von pflanzlichen GT ungeeignet, wohingegen der UDP-Glo GT-Assay und der Phosphat-GT-Aktivitäts-Assay sehr ähnliche und reproduzierbare KM-, vmax- und kcat-Werte lieferten. Aufgrund des einfachen Versuchsaufbaus und der schnellen Ablesung eignen sich die beiden Assays daher für das HTP- Screening und die quantitative kinetische Analyse von Pflanzen-GTs und wurden deshalb für die Charakterisierung von mehr als 140 GT aus 15 Pflanzenarten verwendet. In Kombination mit inplanta Studien konnte N-Feruloyl tyramin erstmals als natürliches Substrat von NbUGT73A24 und NbUGT73A25 in Tabakblättern (Nicotiana benthamiana) und C13-Apocarotinoide als in-vivo Substrate der neuartigen MpUGT86C10 in Pfefferminz-Blättern (Mentha × piperita) identifiziert werden. Weiterhin konnten mittels Screeningverfahrens 25, 24, 15 und 18 GT identifiziert werden, die D-Glukose jeweils auf die vier bedeutenden Aromastoffe Sotolon, Ahornfuranon, Furaneol und Homofuraneol, übertragen. Fünf Enzyme UGT93Y1, UGT93Y2, UGT85K11, UGT72B27 und UGT73B24 waren in der Lage, (±)-Menthyl β-D-glucopyranosid durch Biotransformationen mit ganzen Zellen zu bilden, wobei UGT93AY1 aus der Teepflanze Camellia sinensis die höchste invivo und in-vitro Aktivität aufwies. Somit konnten nach erfolgreicher Etablierung eines GT-Assays im HTP-Format zahlreiche pflanzliche GT funktionell charakterisiert werden die nun für die biotechnologische Produktion von Glukosiden kleiner Moleküle verwendet werden können. GT-Aktivitätsstudien, die mittels UDP-Glo-GT-Assay und LC-MS-Analyse durchgeführt wurden zeigten jeweils unterschiedliche Ergebnisse, die bei eingehender Prüfung durch die inhärente UDP-glukose-Hydrolase Aktivität der GT erklärt werden konnte. Die molekularen Ursachen dieser Nebenaktivität, die bei verschiedenen GT sehr unterschiedlich sein können, sollten in zukünftigen Studien eingehender untersucht werden.

Publications

• Glucosylation of the phytoalexin N- feruloyl tyramine modulates the levels of pathogen-responsive metabolites in Nicotiana benthamiana. Plant Journal 100(1) (2019), 20-37
  Sun, Guangxin; Strebl, Michael; Merz, Maximilian; Blamberg, Robert; Huang, Fong-Chin; McGraphery, Kate; Hoffmann, Thomas; Schwab, Wilfried
  
• Novel biotechnological glucosylation of high-impact aroma chemicals, 3(2H)- and 2(5H)-furanones. Scientific Reports (2019)
  Effenberger, Isabelle; Hoffmann, Thomas; Jonczyk, Rafal; Schwab, Wilfried
  
• Comparative analysis of high-throughput assays of family- 1 plant glycosyltransferases. International Journal of Molecular Sciences 21(6) 2020, 2208
  McGraphery, Kate; Schwab, Wilfried
  
• Six uridine-diphosphate glycosyltransferases catalyze the glycosylation of bioactive C13-apocarotenols. Plant Physiology 2020
  Sun, Guangxin; Putkaradze, Natalia; Bohnacker, Sina; Joncyk, Rafal; Fida, Tarik; Hoffmann, Thomas; Bernhardt, Rita; Härtl, Katja; Schwab, Wilfried
  
• Amplification of early drought responses caused by volatile cues emitted from neighboring plants. Horticulture Research 2021
  Jin, Jieyang; Zhao, Mingyue; Gao, Ting; Jing, Tingting; Zhang, Na; Wang, Jingming; Zhang, Xianchen; Huang, Jin; Schwab, Wilfried; Song, Chuankui
  
• Glucosylation of (±)-menthol by uridine-diphosphate-sugar dependent glucosyltransferases from plants. Molecules 2021
  Kurze, Elisabeth; Ruß, Victoria; Syam, Nadia; Effenberger, Isabelle; Jonczyk, Rafal; Liao, Jieren; Song, Chuankui; Hoffmann, Thomas; Schwab, Wilfried
  
• Leaf necrosis resulting from down-regulation of poplar glycosyltransferase UGT72A2. Tree Physiology 2021
  Behr, Marc; Speeckaert, Nathanael; Kurze, Elisabeth; Morel, Oriane; Prévost, Martine; Mol, Adeline; Adamou, Nassirou Mahamadou; Baragé, Moussa; Renaut, Jenny; Schwab, Wilfried; El Jaziri, Mondher; Baucher, Marie
  
• Qualitative profiling of monoand sesquiterpenols in aglycon libraries from Vitis vinifera L. Gewürztraminer using multidimensional gas chromatography–mass spectrometry. European Food Research and Technology 2021
  Könen, Philipp P.; Stötzel, Ines; Schwab, Wilfried; Wüst, Matthias
  
• Structure–function relationship of terpenoid glycosyltransferases from plants. Natural Product Reports 2021
  Kurze, Elisabeth; Wüst, Matthias; Liao, Jieren; McGraphery, Kate; Hoffmann, Thomas; Song, Chuankui; Schwab, Wilfried
  
• Salicylic acid carboxyl glucosyltransferase UGT87E7 regulates disease resistance in Camellia sinensis. Plant Physiology 2022
  Yunqing, Hu; Mengting, Zhang; Mengqian, Lu; Yi, Wu; Tingting, Jing; Mingyue, Zhao; Yifan, Zhao; Yingying, Feng; Jingming, Wang; Ting, Gao; Zixiang, Zhou; Bin, Wu; Hao, Jiang; Xiaochun, Wan; Wilfried, Schwab; and Chuankui Song