Die Familie der "Berberine Bridge Enzyme" in Pflanzen

Naturstoffe stellen einen immensen Schatz an chemischen Verbindungen dar mit einer beachtlichen Vielfalt an nützlichen Eigenschaften, wie z. B. antibiotischer, antineoplastischer und analgesischer Wirkung. Pflanzen bilden einen erheblichen Anteil dieser Verbindungen und spielen daher in der Entwicklung und Verbesserung von Arzneimitteln eine entscheidende Rolle. Allerdings ist das Vorkommen und die Verbreitung von Pflanzeninhaltsstoffen nur ansatzweise bekannt, und sogar Modellpflanzen, wie die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), sind unzulänglich untersucht. Enzyme aus der Familie der Berberine Brücken Enzyme (BBE) spielen eine zentrale Rolle in der Biosynthese von Alkaloiden (z. B. dem Berberin im Kalifornischen Goldmohn, Eschscholzia californica) und Terpenen (z. B. die Cannabinoide des Hanf, Cannabis sativa). In A. thaliana wurden 28 Gene identifiziert, die aufgrund von Sequenzähnlichkeiten der BBE-Familie angehören allerdings ohne diesen eine biochemische Funktion zuordnen zu können. In den letzten Jahren haben unsere Forschungsanstrengungen zu einem detaillierten Verständnis der Struktur-Funktions Beziehungen des BBE aus dem kalifornischen Goldmohn geführt. Diese Kenntnisse möchten wir nunmehr einsetzen, um die biochemischen Eigenschaften und die damit einhergehenden physiologischen Funktionen der BBE-ähnlichen Enzyme in A. thaliana zu entschlüsseln. Kürzlich ist es uns gelungen nachzuweisen, dass ein Vertreter dieser Enzymfamilie Monolignole, wie z. B. p-Coumarylalkohol, zu den korrespondierenen Aldehyden umsetzt. Da diese Verbindungen wichtige Funktionen bei der pflanzlichen Zellwandbiosynthese spielen, gehen wir davon aus, dass die BBE-ähnlichen Enzyme eine Funktion im Stoffwechsel der Zellwand ausüben. Ziel unseres Forschungsprojektes ist es daher durch Kombination von Enzymologie, Substratsreening und struktureller Bioinformatik die biochemische und physiologische Rolle der BBE-ähnlichen Enzyme zu entschlüsseln. Durch diese Verzahnung von Strukturbiologie, Biochemie und Pflanzenphysiologie erhoffen wir Einblicke in die Funktion der Familie der BBE-ähnlichen Proteine in A. thaliana zu erhalten. Darüberhinaus erwarten wir uns Aufschluss über die generelle Funktionen dieser Proteinfamilie insbesondere in Pflanzen von pharmazeutischer und ökonomischer Bedeutung.

Das Berberin-Brücken-Enzym (BBE) ist ein zentrales Enzym in der Biosynthese von Pflanzenalkaloiden. Es katalysiert die Umwandlung von (S)-Retikulin zu (S)-Skoulerin durch Oxidation einer N-Methylgruppe wodurch die sogenannte "Berberinbrücke", eine Verknüpfung zweier Kohlenstoffatome, entsteht. Verwandte Proteine des BBE konnten in einer Vielzahl von Pflanzen, Pilzen und Bakterien nachgewiesen werden. Die Modellpflanze Arabidopsis thaliane besitzt zum Beispiel 28 Gene, die ein BBE-ähnliches Protein kodieren, obwohl diese Pflanzen keine höheren Alkaloide herstellt. Um die Funktion dieser BBE-ähnlichen Enzyme zu bestimmen, haben wir die biochemischen und strukturellen Eigenschaften einer ausgewählten Familie von Proteinen untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass diese Proteine Monolignole und deren Kohlenhydrat-konjugierte Derivate zu den korrespondierenden Aldehyden oxidieren, d.h. es handelt sich dabei um eine neue Klasse von Enzymen, die wir als Monolignoloxidoreduktasen (MOX) bezeichnet haben. Monolignole sind wichtige Bausteine des Lignins und daher vermuten wir, dass die MOX Einfluß auf die Zusammensetzung und die Eigenschaften dieses wichtigen Pflanzenpolymers nehmen. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass die für die MOX kodierenden Gene bevorzugt in Bereichen exprimiert werden in denen eine hohe Ligninproduktion erforderlich ist, wie z. B. in den Wurzeln. Die bedeutende Rolle der MOX für Pflanzen wird auch dadurch unterstrichen, dass ca. die Hälfte aller in Pflanzen entdeckten MOX eine ähnliche Struktur des Aktivzentrums aufweisen. Wir sind auch der Frage nachgegangen, welche Rolle das ursprüngliche BBE-ähnliche Protein in den Pflanzen gespielt hat. Dazu haben wir das einzige BBE-ähnliche Protein im Modellorganismus Physcomitrella patens untersucht. Bei diesem Moos handelt es sich um einen der ersten Organismen, der die Landmasse unserer Erde besiedelte und daher als Vorläufer unserer "modernen" Pflanzen gilt. Unsere Untersuchungen zeigten, dass dieses BBE-ähnliche Protein Zellobiose oxidiert und daher vergleichbare Eigenschaften zu vielen bakteriellen BBE-ähnlichen Enzymen aufweist. Daraus schließen wir, dass die Vielfalt von BBE-ähnlichen Enzymen in Pflanzen sich aus einer "Zuckeroxidase" entwickelt hat.