Kupferhaltige Aminoxidasen - Charakterisierung einer Enzymklasse mit Bedeutung für die Alkaloidbiosynthese und darüber hinaus

• Antragsteller: Professor Dr. Dietrich Ober
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534215564

Kupferhaltige Aminoxidasen (CuAOs) sind eine gut charakterisierte Klasse von Enzymen mit Vorkommen in allen Organismenreichen, die an der Regulierung des zellulären Polyamingehalts beteiligt sind. In Pflanzen sind sie auch an der Biosynthese mehrerer Klassen von Alkaloiden beteiligt. Dabei handelt es sich um bioaktive natürliche Verbindungen, die Teil der chemischen Verteidigung der Pflanze gegen Pflanzenfresser sind. Vor kurzem wurde eine CuAO mit unerwarteten Eigenschaften identifiziert, die an der Biosynthese von Pyrrolizidinalkaloiden (PAs) beteiligt ist. Diese CuAO, genannt Homospermidin-Oxidase (HSO), katalysiert die Oxidation von Homospermidin an beiden primären Aminogruppen und scheint die Zyklisierung des Zwischenprodukts zum bicyclischen Pyrrolizidin-Ringsystem zu steuern. Die Analyse dieses PA-spezifischen Enzyms in vitro, in transgenen Pflanzen mit inaktivierten Kandidatengenen und durch Fütterungsexperimente in planta ergab Zwischenprodukte, die nicht durch den in der Literatur für CuAO-katalysierte oxidative Desaminierungen beschriebenen Mechanismus erklärt werden können, nämlich einen Mechanismus, der die Bildung einer Schiff‘schen Base mit dem Topachinon-Cofaktor beinhaltet. Daher gehen wir davon aus, dass bestimmte CuAOs einen anderen Mechanismus zur Oxidation von primären Aminen verwenden. Wir werden mehrere CuAOs in dieser Hinsicht untersuchen. Für diese anspruchsvolle Aufgabe werden wir klassische in vitro Studien durchführen, um die Oxidation von Homospermidin und verwandten Substraten durch heterolog exprimierte CuAOs zu charakterisieren. Dabei werden wir uns insbesondere auf die gebildeten Produkte und Zwischenprodukte konzentrieren. Diese Studien werden durch Fütterungsstudien mit transgenen Pflanzen mit inaktivierten Kandidatengenen ergänzt. Dies wird einen Einblick in den zweistufigen Mechanismus der Homospermidin-Oxidation geben. Die Modellierung der Enzymstruktur auf der Grundlage von Strukturen, die in öffentlichen Datenbanken verfügbar sind, kombiniert mit ortsgerichteter Mutagenese, sollte es ermöglichen, die spezifischen Merkmale der Proteinstrukturen dieser CuAOs mit solch einzigartigen biochemischen Eigenschaften aufzuklären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen