Untersuchung der Beta-Alanin-Aminotransferase am Kreuzungspunkt von Pyrimidin-, Polyamin-, Coenzym-A- und verzweigtkettigem Aminosäurenstoffwechsel

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Peter Witte
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 534690575

Pflanzen sind in der Lage, Nukleinsäuren und die darin enthaltenen Nukleotide abzubauen, um den Stoffwechsel im Gleichgewicht zu halten und Nährstoffe und Energie zu gewinnen. Der Ring der Pyrimidinnukleotide (Uracil und Thymin) wird in drei Reaktionen reduziert und geöffnet, wobei Beta-Alanin (BA) aus Uracil und Beta-Aminoisobutyrat (BAIBA) aus Thymin gebildet werden. Wie diese Produkte weiter abgebaut werden und wie Pyrimidinringabbau mit dem Zentralstoffwechsel verknüpft ist, ist bisher unbekannt. BA kann nicht nur in den weiteren Abbau fließen, sondern ist auch eine essenzielle Vorstufe für die Synthese des Coenzyms A im Cytosol. Da allerdings Mutanten des Pyrimidinringabbaus keinen Defekt in der CoA-Biosynthese aufweisen, muss der pflanzliche Stoffwechsel in der Lage sein, BA noch auf anderem Wege bereitzustellen. Hierfür kommt der Abbau von Polyaminen infrage, welcher im Cytosol und in den Peroxisomen abläuft. Wir haben das Enzym entdeckt, welches BA und BAIBA durch Transaminierung mit Pyruvat als Akzeptor zu den entsprechenden Aldehyden und zu Alanin verstoffwechselt – die Beta-Alanin-Aminotransferase (BAAT). BAAT befindet sich in den Peroxisomen und den Mitochondrien. Basierend auf unseren Vordaten, Literaturdaten und Plausibilitätsannahmen haben wir ein Arbeitsmodell des Stoffwechsels rund um BA und BAIBA entwickelt, welches u. a. postuliert, dass BA und BAIBA in den Mitochondrien zu Acetyl-CoA durch die Enzyme des verzweigtkettigen Aminosäureabbaus abgebaut werden können. Über die Quantifizierung von Metaboliten in einer Vielzahl von Mutanten des Pyrimidin- und Polyaminstoffwechsels wollen wir u. a. mit Isotopen-Markierungsexperimenten unser Arbeitsmodell in ein experimentell belegtes Stoffwechselmodell überführen. Dieses soll Pyrimidin- und Polyaminabbau so wie CoA-Synthese und Teile des Abbauwegs verzweigtkettiger Aminosäuren integrieren, wobei Reaktionen im Cytosol, den Mitochondrien und den Peroxisomen betrachtet werden. Dabei werden mehrere Enzyme, u. a. BAAT, mit bisher unbekannter physiologischer Rolle untersucht und idealerweise ihre Funktion im Stoffwechsel geklärt. Für BAAT soll auch eine Kristallstrukturanalyse durchgeführt werden. Zudem sollen die BA-Quellen für die CoA-Synthese aufgeklärt werden. Der Weg des Stickstoffs aus BAAT-vermittelter Transaminierung wird auch nachgezeichnet werden. Des Weiteren soll untersucht werden, ob Pyrimidine bei kurzzeitiger Kohlenstofflimitierung verstärkt abgebaut werden, was Transkriptionsdaten vermutet lassen. So könnte der Pyrimidinringabbau (eventuell auch der Polyaminaabbau) einen Beitrag zur kurzfristigen Bereitstellung von Acetyl-CoA bei Kohlenstoffmangel leisten. Durch Genomsequenzierung sind die Genome vieler Pflanzen heute bekannt, aber die Genfunktionen und die Verschaltung im Stoffwechsel sind noch vielfach ungeklärt. Diese Forschung leistet einen Beitrag für die Aufklärung mehrerer Genfunktionen und erweitert in vielfacher Weise das Verständnis des pflanzlichen Stoffwechsels.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Südkorea
• Kooperationspartner: Professor Dr. Sangkee Rhee