Molekulare Evolution von Fraßschutzmechanismen in spezialisierten Insekten, die pflanzliche Inhaltsstoffe als Vorstufe nutzen
Final Report Abstract
Die N-Oxygenierung von Pyrrolizidin-Alkaloiden (PAs) als Anpassung von Larven der Bärenspinner (Arctiiden, Lepidoptera) an PA-haltige Pflanzen und die Nutzung von Salicin aus der Wirtspflanze zur Synthese der Wehrsubstanz Salicylaldehyd in Larven von bestimmten Blattkäferarten wurden in zwei Teilprojekten untersucht. Im Zuge der Anpassung an toxische pflanzliche Inhaltsstoffe haben Insekten zahlreiche Entgiftungsmechanismen entwickelt, unter denen die Umsetzung durch Cytochrom P450 Monooxygenasen eine dominante Rolle spielt. Flavin-abhängige Monooxygenasen, die bei Säugern Bedeutung für die Entgiftung von Xenobiotika haben, sind aus Insekten bisher unbekannt – mit einer Ausnahme: die N-Oxygenase der Arctiiden. Dieses Enzym erlaubt es den Insektenlarven schadfrei auf PA-haltigen Futterpflanzen zu fressen und die Alkaloide zur eigenen Verteidigung im Körper zu speichern. Durch Identifizierung zahlreicher FMO-homologer Sequenzen aus Arctiiden konnte gezeigt werden, dass diese spezifischen Enzyme aus einer Genduplikation hervorgegangen sind, die sehr früh innerhalb der Linie der Arctiiden erfolgt sein muss. Im Genom des Seidenspinners (Bombyx mori, Lepidoptera) konnten drei Sequenzen nachgewiesen werden, die FMOs kodieren (FMO1 bis FMO3). Die Arctiiden-FMOs sind am nächsten mit der FMO1 aus B. mori verwandt. Eine FMO aus dem Arctiid Grammia geneura konnte heterolog exprimiert und biochemisch charakterisiert werden. Das Enzym dieses Generalisten zeigt eine deutlich breitere Substratspezifität als das entsprechende Enzym des Spezialisten Tyria jacobaeae. Die Salicylalkohol-Oxidase (SAO) ist ein etrazelluläres Enzym, das in den Wehrsekretbehältern von bestimmten Chrysomela-Arten Salicylalkohol zum Wehrstoff Salicylaldehyd umsetzt. Die dieses zu den GMC-Oxidoreduktasen gehörende Enzym kodierende cDNA konnte aus C. populi und C. tremulae identifiziert und funktionell charakterisiert werden. Das resultierende Protein verfügt über ein N-terminales Signalpeptid und ist stark glykosyliert. Die N-Glykosylierungsstellen sowie die mannosereichen Zucker konnten durch ESI-MS/MS identifiziert werden. Eine phylogenetische Analyse zeigt, dass die SAO-Sequenzen und die GMCs der Iota- Untergruppe in Insekten aus einem gemeinsamen Vorfahrgen hervorgegangen sind. GMCs der verschiedenen Untergruppen liegen in Insekten oft geclustert in einem bestimmten Chromosomenbereich vor. Unter Nutzung von Peptidsequenzen von im Wehrsekretbehälter befindlichen Enyzmen, eine ß-Glucosidase und einer Katalase, konnten bereits Teilsequenzen identifiziert werden. Über die Ergebnisse dieses Projektes wurde im Rahmen der Irseer Naturstofftage 2009 ein Interview des Deutschlandfunks in der Rubrik „Forschung aktuell“ mit dem Titel „Waffenklau im Tierreich“ aufgenommen und gesendet.
Publications
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(2008) Salicyl alcohol oxidase of the chemical defense secretion of two chrysomelid leaf beetles: Molecular and functional characterization of two new members of the GMC oxidoreductase gene family. J. Biol. Chem. 283 : 19219-19228
Michalski, C., Mohagheghi, H., Nimtz, M., Pasteels, J., Ober, D.
