Atividade de enzimas relacionadas ao processo de ossificação em girinos de Lithobates catesbeianus

Pós-graduação em Biotecnologia - IQ

Agelotoxin: a phospholipase A(2) from the venom of the neotropical social wasp cassununga (Agelaia pallipes pallipes) (Hymenoptera-Vespidae)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Nanopartículas magnéticas como suporte para imobilização de lipases

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Properties and secretory mechanism of Musca domestica digestive chymotrypsin and its relation with Drosophila melanogaster homologs

Musca domestica larvae present two different digestive chymotryptic activities found in the posterior midgut (PMG): one major soluble activity in the lumen and another minor present in cell membrane fractions. Both soluble and membrane-bound chymotryptic activities have different half lives of thermal inactivation (46 degrees C) in the presence and absence of 10 mM Triton X-100, indicating that they are two different molecular species. Purified soluble chymotryptic activity has pH optimum 7.4 and a molecular mass of 28 kDa in SDS-PAGE. It does not cleave short substrates, such as Suc-F-MCA, preferring longer substrates, such as Suc-AAPF-MCA, with a primary specificity (kcat/Km) for Phe rather than Tyr and Leu residues. In-gel activity revealed a unique band against S-AAPF-MCA with the same migration as purified chymotrypsin. One chymotrypsinogen-like sequence (MdChy1) was sequenced, cloned and recombinantly expressed in Escherichia coli (DE3) Star. MdChy1 is expressed in the proximal posterior midgut (PMG1), as seen by RT-PCR. Expression analysis of other chymotrypsin genes revealed genes expressed at the anterior midgut (AMG) and PMG. Western blot of M. domestica midgut tissues using anti-MdChy1 antiserum showed a single band in samples from AMG and PMG, co-migrating with recombinant and purified enzymes. Immunogold labeling corresponding to Mdchy1 was found in small vesicles (thus indicating exocytosis) and in the lumen of AMG and PMG, corroborating the existence of two similar groups of chymotrypsins. Transcriptomes of M. domestica AMG and whole midgut prepared by pyrosequencing disclosed 41 unique sequences of chymotrypsin-like enzymes (19 probably functional), from which MdChy1 is highly expressed. Phylogenetic reconstruction of Drosophila melanogaster and M. domestica chymotrypsin-like sequences revealed that the chymotrypsin genes expanded before the evolutionary separation of Musca and Drosophila. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Prey digestion in the midgut of the predatory bug Podisus nigrispinus (Hemiptera: Pentatomidae)

Pre-oral digestion is described as the liquefaction of the solid tissues of the prey by secretions of the predator. It is uncertain if pre-oral digestion means pre-oral dispersion of food or true digestion in the sense of the stepwise bond breaking of food polymers to release monomers to be absorbed. Collagenase is the only salivary proteinase, which activity is significant (10%) in relation to Podisus nigrispinus midgut activities. This suggests that pre-oral digestion in P. nigrispinus consists in prey tissue dispersion. This was confirmed by the finding of prey muscles fibers inside P. nigrispinus midguts. Soluble midgut hydrolases from P. nigrispinus were partially purified by ion-exchange chromatography, followed by gel filtration. Two cathepsin L-like proteinases (CAL1 and CAL2) were isolated with the properties: CAL1 (14.7 kDa, pH optimum (pHo) 5.5, km with carbobenzoxy-Phe-Arg-methylcoumarin, Z-FR-MCA, 32 mu M); CAL2 (17 kDa, pHo 5.5, km 11 mu M Z-FR-MCA). Only a single molecular species was found for the other enzymes with the following properties are: amylase (43 kDa, pHo 5.5, km 0.1% starch), aminopeptidase (125 kDa, pHo 5.5, km 0.11 mM L-Leucine-p-nitroanilide), alpha-glucosidase (90 kDa, pHo 5.0, km 5 mM with p-nitrophenyl alpha-D-glucoside). CAL molecular masses are probably underestimated due to interaction with the column. Taking into account the distribution of hydrolases along P. nigrispinus midguts, carbohydrate digestion takes place mainly at the anterior midgut, whereas protein digestion occurs mostly in middle and posterior midgut, as previously described in seed- sucker and blood-feeder hemipterans. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Untersuchungen zur Beteiligung der Preseniline an den molekularen Mechanismen der Amyloid-ß Entstehung

ZusammenfassungMorbus Alzheimer ist eine progressive, neurodegenerative Erkrankung, die weltweit die häufigste Form der Demenz darstellt und im mittleren bis späten Lebensabschnitt auftritt. Die neuropathologischen Merkmale beinhalten das Auftreten von extrazellulären Ablagerungen aus fibrillogenem Aß42 Peptiden in senilen Plaques und intraneuronalen Akkumulationen von hyperphosphoryliertem Tau in sogenannten neurofibrillären Bündeln. Obwohl die meisten Alzheimer Fälle sporadisch und Alters-assoziiert auftreten, gibt es eine autosomal dominant vererbte Form (FAD; Familial Alzheimer Disease), die schon in einem frühen Lebensabschnitt (ab 28 Jahren) ausbrechen kann. Diese aggressive Alzheimer Form wird durch Mutationen im Amyloid-Precursor-Protein-Gen (APP) oder den Presenilin-Genen (PS-1 und PS-2) ausgelöst. Die Presenilin (PS) Proteine sind entscheidend an der Entstehung von Aß beteiligt. So erhöhen FAD-assoziierte Mutationen in PS-1 und PS-2 die Bildung von Aß42. Außerdem verhindern sowohl homozygote PS-1 Null-Mutationen (PS-1-/-) in transgenen Mäusen, als auch dominant negative PS-1 Mutationen in Kulturzellen die Ab Bildung. Diese Belege sprechen für die zur Zeit favorisierte Amyloid Hypothese, in der die toxische Wirkung des Aß-Peptides in der Entstehung der Alzheimer Erkrankung eine zentrale Rolle einnimmt. Die y-Sekretase ist eine Protease, deren Aktivität für die Entstehung von Ab aus dem Vorläuferprotein APP essentiell ist. Damit bildet sie einen möglichen Ansatzpunkt, um grundlegend in den Prozeß der Ab Bildung einzugreifen. Die y-Sekretase ist allerdings noch nicht identifiziert oder kloniert. Es gibt Hinweise, daß die Preseniline y-Sekretase Aktivität besitzen könnten. Diese Theorie ist bis heute jedoch nicht eindeutig belegt. In dieser Arbeit sollten die molekularen Mechanismen der Ab Entstehung und insbesondere die Beteiligung der Preseniline an diesem Prozeß untersucht werden. Dazu wurde zunächst die subzelluläre Verteilung der endogenen Preseniline analysiert. Es konnte erstmalig ein Unterschied in der subzellulären Verteilung zwischen PS-1 und PS-2 festgestellt werden. PS-1 war vorwiegend im ER lokalisiert, wogegen PS-2 stark im Golgi-Apparat angereichert war. Im zweiten Teil der Arbeit wurde nach möglichen Interaktionen der Preseniline mit C-terminalen APP Fragmenten gesucht, die die Substrate der y-Sekretase darstellen. Es konnte gezeigt werden, daß die Preseniline mit einem 21 kDa großen C-terminalen APP Fragment interagieren. Dabei band die Mutante-Form der Preseniline mehr C-terminales APP Fragment als die Wildtyp-Form. Weiterhin wurde ein zellfreies System zur indirekten Bestimmung der y-Sekretase Aktivität etabliert. Mit Hilfe dieses Systems wird es möglich, Inhibitoren der y-Sekretase zu identifizieren. Die Spezifität des zellfreien Testsystems konnte dadurch deutlich gemacht werden, daß das PS-1, das schon in Zellkultur als essentielle Proteinkomponente zur Entstehung von Aß beschrieben wurde, auch in diesem zellfreien y-Sekretase System notwendig war. Allgemeine Proteaseinhibitoren, die alle bekannten Proteasemechanismen abdeckten, zeigten keinen Einfluß auf die de novo Bildung von Aß. Es konnte festgestellt werden, daß neben der y-Sekretase als Aß produzierende Protease auch Aß abbauende Proteasen vorlagen. Das pH-Optimum der y-Sekretase wurde im neutralen Bereich festgestellt. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß die y-Sekretase eine transmembrane oder zumindest membranassoziierte Protease ist, die keine cytosolischen Komponenten benötigt.

Charakterisierung der Vinorin-Synthase aus Rauvolfia serpentina durch Reinigung, Expression, Mutation und Kristallisation

ABSTRACTDie vorliegende Arbeit befasste sich mit der Reinigung,heterologen Expression, Charakterisierung, molekularenAnalyse, Mutation und Kristallisation des EnzymsVinorin-Synthase. Das Enzym spielt eine wichtige Rolle inder Ajmalin-Biosynthese, da es in einerAcetyl-CoA-abhängigen Reaktion die Umwandlung desSarpagan-Alkaloids 16-epi-Vellosimin zu Vinorin unterBildung des Ajmalan-Grundgerüstes katalysiert. Nach der Reinigung der Vinorin-Synthase ausHybrid-Zellkulturen von Rauvolfia serpentina/Rhazya strictamit den fünf chromatographischen TrennmethodenAnionenaustauschchromatographie an SOURCE 30Q, HydrophobeInteraktionen Chromatographie an SOURCE 15PHE,Chromatographie an MacroPrep Ceramic Hydroxyapatit,Anionenaustauschchromatographie an Mono Q undGrößenausschlußchromatographie an Superdex 75 konnte dieVinorin-Synthase aus 2 kg Zellkulturgewebe 991fachangereichert werden.Das nach der Reinigung angefertigte SDS-Gel ermöglichte eineklare Zuordnung der Protein-Bande als Vinorin-Synthase.Der Verdau der Enzymbande mit der Endoproteinase LysC unddie darauffolgende Sequenzierung der Spaltpeptide führte zuvier Peptidsequenzen. Der Datenbankvergleich (SwissProt)zeigte keinerlei Homologien zu Sequenzen bekannterPflanzenenzyme. Mit degenerierten Primern, abgeleitet voneinem der erhaltenen Peptidfragmente und einer konserviertenRegion bekannter Acetyltransferasen gelang es, ein erstescDNA-Fragment der Vinorin-Synthase zu amplifizieren. Mit derMethode der RACE-PCR wurde die Nukleoidsequenzvervollständigt, was zu einem cDNA-Vollängenklon mit einerGröße von 1263 bp führte, der für ein Protein mit 421Aminosäuren (46 kDa) codiert.Das Vinorin-Synthase-Gen wurde in den pQE2-Expressionsvektorligiert, der für einen N-terminalen 6-fachen His-tagcodiert. Anschließend wurde sie erstmals erfolgreich in E.coli im mg-Maßstab exprimiert und bis zur Homogenitätgereinigt. Durch die erfolgreiche Überexpression konnte dieVinorin-Synthase eingehend charakterisiert werden. DerKM-Wert für das Substrat Gardneral wurde mit 20 µM, bzw.41.2 µM bestimmt und Vmax betrug 1 pkat, bzw. 1.71 pkat.Nach erfolgreicher Abspaltung des His-tags wurden diekinetischen Parameter erneut bestimmt (KM- Wert 7.5 µM, bzw.27.52 µM, Vmax 0.7 pkat, bzw. 1.21 pkat). Das Co-Substratzeigt einen KM- Wert von 60.5 µM (Vmax 0.6 pkat). DieVinorin-Synthase besitzt ein Temperatur-Optimum von 35 °Cund ein pH-Optimum bei 7.8.Homologievergleiche mit anderen Enzymen zeigten, dass dieVinorin-Synthase zu einer noch kleinen Familie von bisher 10Acetyltransferasen gehört. Alle Enzyme der Familie haben einHxxxD und ein DFGWG-Motiv zu 100 % konserviert. Basierendauf diesen Homologievergleichen und Inhibitorstudien wurden11 in dieser Proteinfamilie konservierte Aminosäuren gegenAlanin ausgetauscht, um so die Aminosäuren einer in derLiteratur postulierten katalytischen Triade(Ser/Cys-His-Asp) zu identifizieren.Die Mutation aller vorhandenen konservierten Serine undCysteine resultierte in keiner Mutante, die zumvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms führte. Nur dieMutationen H160A und D164A resultierten in einemvollständigen Aktivitätsverlust des Enzyms. Dieses Ergebniswiderlegt die Theorie einer katalytischen Triade und zeigte,dass die Aminosäuren H160A und D164A exklusiv an derkatalytischen Reaktion beteiligt sind.Zur Überprüfung dieser Ergebnisse und zur vollständigenAufklärung des Reaktionsmechanismus wurde dieVinorin-Synthase kristallisiert. Die bis jetzt erhaltenenKristalle (Kristallgröße in µm x: 150, y: 200, z: 200)gehören der Raumgruppe P212121 (orthorhombisch primitiv) anund beugen bis 3.3 Å. Da es bis jetzt keine Kristallstruktureines zur Vinorin-Synthase homologen Proteins gibt, konntedie Struktur noch nicht vollständig aufgeklärt werden. ZurLösung des Phasenproblems wird mit der Methode der multiplenanomalen Dispersion (MAD) jetzt versucht, die ersteKristallstruktur in dieser Enzymfamilie aufzuklären.

Reinigung und Coexpression von Enzymen der Raubasin-Biosynthese

Die vorgestellten Arbeiten bezüglich der Biosynthese von pflanzlichen Indolalkaloiden können in einen molekularbiologischen und einen proteinche-mischen Teil aufgegliedert werden. Im molekularbiologischen Abschnitt stand die Entwicklung eines Vektorsystems im Vordergrund, das die gleichzeitige Expression mehrerer Enzyme in bakteriellen Kulturen erlaubte. Hierfür konnte zunächst die cDNA der Strictosidin-Synthase aus Rauvolfia serpentina in den Expressionsvektor pQE-70 einkloniert und das Protein aktiv exprimiert werden. Bevor es zum Einbau des Strictosidin-β-D-Glucosidase-Gens –ebenfalls aus Rauvolfia serpentina– kam, musste dessen Aktivität mit einer vorgeschalteten Ribosomenbindestelle sichergestellt werden. Diese zusätzliche Binderegion wurde an das 5’-Ende der cDNA angefügt, um die ungestörte Expression des Enzyms im späteren Coexpressions-System zu gewährleisten. Im Hinblick auf weiterführende Arbeiten in Bezug auf die komplette in vitro-Synthese bereits bekannter Alkaloide, wie z.B. das antiarrhythmisch wirkende Ajmalin oder das antihypertensiv wirkende Heteroyohimbin-Alkaloid Raubasin, wurde die ursprüngliche multiple-clonig-site des verwendeten Expressionsvektors pQE-70 um 27 zusätzliche Restriktionsschnittstellen (verteilt auf 253 bp) erweitert. Nach erfolgreicher Ligation der Strictosidin-β-D-Glucosidase-cDNA mit vorgeschalteter Ribosomenbindestelle an das 3’-Ende des Strictosidin-Synthase-Gens gelang die heterologe Coexpression beider Enzyme in einer homogenen Suspensionskultur des E. coli-Expressionsstamms M15. Dafür wurde das Vektorkonstrukt pQE-70bh-STR-RBS-SG entwickelt. Das Endprodukt der anschließenden enzymatischen Umsetzung von Tryptamin und Secologanin wurde über das Zwischenrodukt Strictosidin gebildet und konnte als Cathenamin identifiziert werden. Im proteinchemischen Teil der Dissertation wurde die Reinigung einer Cathenamin-Reduktase aus Zellsuspensionskulturen von Catharanthus roseus RC mit dem Ziel der partiellen Bestimmung der Aminosäuresequenz bearbeitet. Das gesuchte Enzym wandelte in einer NADPH-abhängigen Reaktion das Edukt Cathenamin in Raubasin um. Des weiteren wurde untersucht, wie viele Enzyme insgesamt an der Umwandlung von Cathenamin zu Raubasin und den eng verwandten Produkten Tetrahydroalstonin und 19-Epi-Raubasin beteiligt waren. Unter Anwendung eines hierfür entwickelten säulenchromatographischen Protokolls gelang die Reinigung einer Raubasin-bildenden Reduktase, deren Teilsequenz jedoch noch nicht bestimmt werden konnte. Die Anzahl der beteiligten Enzyme bei der Ausbildung von Raubasin, Tetrahydroalstonin und 19-Epi-Raubasin konnte auf mindestens zwei beziffert werden.

Identifizierung, Quantifizierung und Hemmung von ausgewählten Hefen im Wein

Hefen stellen einen großen und wichtigen Teil der Mikrobiota während der Weinbereitung dar, da ohne ihre alkoholische Fermentation die Umwandlung von Most und Wein nicht möglich wäre. Ferner ist es ihre Vielzahl an Stoffwechselprodukten, die dem Aroma des fertigen Weines eine zusätzliche Komplexität verleihen. Auf der anderen Seite steht durch den Metabolismus verschiedenster so genannter Wildhefen die Gefahr von Qualitätsabstufungen der Weine, was allgemein als „Weinfehler“ betrachtet wird. Ziel dieser Arbeit war zum einen die taxonomische Einordnung von Saccharomyces-Spezies, sowie die Quantifizierung und Hemmung von ausgewählten Wildhefen während der Weinbereitung.rnEin Teil dieser Arbeit umfasste die Identifizierung der nahverwandten Mitglieder der Saccharomyces sensu stricto-Gruppe. Durch den Einsatz des DNA-Fingerpinting-Systems SAPD-PCR konnten alle die Gruppe umfassenden Spezies anhand spezifischer Bandenmuster nachgewiesen werden, wodurch eine Einordnung dieser schwer zu differenzierenden Arten möglich war. Die Differenzierung zwischen den einzelnen Spezies war in jedem Fall deutlicher als dies die Sequenzierung der 5.8S rDNA und ihre flankierenden ITS-Regionen vermochte. Die SAPD-PCR zeichnete sich zudem durch eine geringe Muster-Varianz bei verschiedenen Stämmen einer Art aus und konnte zuverlässig unbekannte Stämme bestimmen und bereits hinterlegte Stämme neu klassifizieren. Zudem konnte mit Hilfe dieses Systems Hybride aus Saccharomyces cerevisiae und S. bayanus bzw. S. cerevisiae und S. kudriavzevii detektiert werden, wenn diese Hybride aus relativ gleichen genomischen Anteilen der Eltern bestanden. rnZusätzlich wurde ein quantitatives PCR-System entwickelt, um die Gattungen Saccharomyces, Hanseniaspora und Brettanomyces in Most und Wein detektieren und quantifizieren zu können. Die hierfür entwickelten Primer zeigten sich spezifisch für die untersuchten Arten. Durch die serielle Verdünnung definierter DNA-Mengen konnte für alle drei Systeme eine Kalibrierungskurve erstellt werden, mit Hilfe derer die tatsächlichen Quantifizierungen durchgeführt wurden. Die qPCR-Analyse lieferte ähnliche Zellzahlen wie Lebendzellzahl-Bestimmungen und wurde nicht von anderen Spezies und von Traubensaft gestört. Die maximal detektierbare Zellzahl betrug 2 x 107 Zellen/ml, während die minimale Detektionsgrenze je nach Art zwischen 1 x 102 Zellen/ml und 1 x 103 Zellen/ml lag. Allerdings konnte eine effektive DNA-Isolierung dieser geringen Zellzahlen nur erreicht werden, wenn die Zellzahl durch artfremde Hefen künstlich erhöht wurde. Die Analyse einer Most-Vergärung mit den drei Spezies zeigte schlussendlich, dass die quantitative PCR sicher und schnell Veränderungen und Sukzessionen detektiert und so ein geeignetes Mittel darstellt, um Populationsdynamiken während der Weinherstellung zu beobachten. rnDer letzte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Inhibierung von Schadhefen durch zellwand-hydrolysierende Enzyme. Es konnte hierbei eine endoglykosidisch wirkende β-1,3-Glucanase aus dem Bakterium Delftia tsuruhatensis isoliert werden. Diese besaß eine ungefähre Masse von 28 kDa, einen isolektrischen Punkt von ca. 4,3 und wirkte mit einer spezifischen Aktivität von 10 U/mg Protein gegen das Glucan Laminarin. Zudem zeigte das Enzym ein Temperaturoptimum von 50 °C und ein pH-Optimum bei pH 4,0. Weinparameter wie erhöhte Konzentrationen an Ethanol, Phenolen und Sulfit beeinflussten die Wirkung des Enzyms nicht oder nur wenig. Neben der allgemeinen Wirkung gegen β-1,3-Glucane konnte hier auch gezeigt werden, dass ebenso gut die β-1,3-Glucane in der Zellwand verschiedener Hefen hydrolysiert wurden. Fluoreszenz- und rasterelektronen-mikroskopische Aufnahmen von Hefezellen nach Inkubation mit der β-1,3-Glucanase zeigten zusätzlich die Zerstörung der Zelloberfläche der Hefen. Die lytische Wirkung des Enzyms wurde an verschiedenen weintypischen Hefen getestet. Hierbei zeigten sich stammspezifische Unterschiede in der Sensitivität gegenüber dem Enzym. Außerdem konnte festgestellt werden, dass sowohl Wachstumsphase als auch Medium der Hefen Einfluss auf deren Zellwand hat und somit auch auf die Wirkung des Enzyms.rn

Genetically controlled variation of "acid" beta-galactosidase detected in Rattus norvegicus by isoelectric focusing.

Two genetically variant forms of rat "acid" beta-galactosidase were found to differ in isoelectric point and pH dependence, but not in thermostability or sensitivity to inhibition by p-mercuribenzoate (PMB). The results of two backcrosses and an intercross indicated that the isoelectric focusing phenotypes are controlled by two codominant alleles at a single autosomal locus, for which we propose the name Glb-1. No significant linkage between Glb-1 and albino (LG I), brown (LG II), or hooded (LG VI) was observed. Strain-specific differences in total levels of kidney beta-galactosidase were detected, but it is not yet known whether the variation is controlled by genes linked to Glb-1. Experiments in which organ homogenates were incubated with neuraminidase indicated that the genetically variant forms do not result from differences in sialylation, though sialylation does appear to be largely responsible for the presence of multiple bands within each phenotype and for differences in the banding patterns of beta-galactosidases derived from different organs. The beta-galactosidase present in the bands used for Glb-1 typing resembles human GM1 gangliosidase (GLB1) with respect to pH optimum, substrate specificity, and susceptibility to inhibition by PMB. It also appears that Glb-1 is homologous with the Bgl-e locus of the mouse. In rats as in mice the genetically variant bands of beta-galactosidase are active at acid pH and have relatively high isoelectric points. In both species these bands are readily detectable in kidney homogenates, and can be revealed in homogenates of liver or spleen following treatment with neuraminidase. The presence of the same beta-galactosidase bands in homogenates of rat kidney and small intestine as well as in neuraminidase-treated homogenates of liver and spleen suggests that the Glb-1 variants differ by one or more point mutations in the structural gene for "acid" beta-galactosidase.

A glutamate residue in the catalytic center of the yeast chorismate mutase restricts enzyme activity to acidic conditions

Chorismate mutase acts at the first branchpoint of aromatic amino acid biosynthesis and catalyzes the conversion of chorismate to prephenate. Comparison of the x-ray structures of allosteric chorismate mutase from the yeast Saccharomyces cerevisiae with Escherichia coli chorismate mutase/prephenate dehydratase suggested conserved active sites between both enzymes. We have replaced all critical amino acid residues, Arg-16, Arg-157, Lys-168, Glu-198, Thr-242, and Glu-246, of yeast chorismate mutase by aliphatic amino acid residues. The resulting enzymes exhibit the necessity of these residues for catalytic function and provide evidence of their localization at the active site. Unlike some bacterial enzymes, yeast chorismate mutase has highest activity at acidic pH values. Replacement of Glu-246 in the yeast chorismate mutase by glutamine changes the pH optimum for activity of the enzyme from a narrow to a broad pH range. These data suggest that Glu-246 in the catalytic center must be protonated for maximum catalysis and restricts optimal activity of the enzyme to low pH.

Sulfate reduction in higher plants: Molecular evidence for a novel 5′-adenylylsulfate reductase

Sulfate-assimilating organisms reduce inorganic sulfate for Cys biosynthesis. There are two leading hypotheses for the mechanism of sulfate reduction in higher plants. In one, adenosine 5′-phosphosulfate (APS) (5′-adenylylsulfate) sulfotransferase carries out reductive transfer of sulfate from APS to reduced glutathione. Alternatively, the mechanism may be similar to that in bacteria in which the enzyme, 3′-phosphoadenosine-5′-phosphosulfate (PAPS) reductase, catalyzes thioredoxin (Trx)-dependent reduction of PAPS. Three classes of cDNA were cloned from Arabidopsis thaliana termed APR1, -2, and -3, that functionally complement a cysH, PAPS reductase mutant strain of Escherichia coli. The coding sequence of the APR clones is homologous with PAPS reductases from microorganisms. In addition, a carboxyl-terminal domain is homologous with members of the Trx superfamily. Further genetic analysis showed that the APR clones can functionally complement a mutant strain of E. coli lacking Trx, and an APS kinase, cysC. mutant. These results suggest that the APR enzyme may be a Trx-independent APS reductase. Cell extracts of E. coli expressing APR showed Trx-independent sulfonucleotide reductase activity with a preference for APS over PAPS as a substrate. APR-mediated APS reduction is dependent on dithiothreitol, has a pH optimum of 8.5, is stimulated by high ionic strength, and is sensitive to inactivation by 5′-adenosinemonophosphate (5′-AMP). 2′-AMP, or 3′-phosphoadenosine-5′-phosphate (PAP), a competitive inhibitor of PAPS reductase, do not affect activity. The APR enzymes may be localized in different cellular compartments as evidenced by the presence of an amino-terminal transit peptide for plastid localization in APR1 and APR3 but not APR2. Southern blot analysis confirmed that the APR clones are members of a small gene family, possibly consisting of three members.

An in Vitro System from Maize Seedlings for Tryptophan-Independent Indole-3-Acetic Acid Biosynthesis1

The enzymatic synthesis of indole-3-acetic acid (IAA) from indole by an in vitro preparation from maize (Zea mays L.) that does not use tryptophan (Trp) as an intermediate is described. Light-grown seedlings of normal maize and the maize mutant orange pericarp were shown to contain the necessary enzymes to convert [14C]indole to IAA. The reaction was not inhibited by unlabeled Trp and neither [14C]Trp nor [14C]serine substituted for [14C]indole in this in vitro system. The reaction had a pH optimum greater than 8.0, required a reducing environment, and had an oxidation potential near that of ascorbate. The results obtained with this in vitro enzyme preparation provide strong, additional evidence for the presence of a Trp-independent IAA biosynthesis pathway in plants.

Metabolism of d-Glycero-d-Manno-Heptitol, Volemitol, in Polyanthus. Discovery of a Novel Ketose Reductase1

Volemitol (d-glycero-d-manno-heptitol, α-sedoheptitol) is an unusual seven-carbon sugar alcohol that fulfills several important physiological functions in certain species of the genus Primula. Using the horticultural hybrid polyanthus (Primula × polyantha) as our model plant, we found that volemitol is the major nonstructural carbohydrate in leaves of all stages of development, with concentrations of up to 50 mg/g fresh weight in source leaves (about 25% of the dry weight), followed by sedoheptulose (d-altro-2-heptulose, 36 mg/g fresh weight), and sucrose (4 mg/g fresh weight). Volemitol was shown by the ethylenediaminetetraacetate-exudation technique to be a prominent phloem-mobile carbohydrate. It accounted for about 24% (mol/mol) of the phloem sap carbohydrates, surpassed only by sucrose (63%). Preliminary 14CO2 pulse-chase radiolabeling experiments showed that volemitol was a major photosynthetic product, preceded by the structurally related ketose sedoheptulose. Finally, we present evidence for a novel NADPH-dependent ketose reductase, tentatively called sedoheptulose reductase, in volemitol-containing Primula species, and propose it as responsible for the biosynthesis of volemitol in planta. Using enzyme extracts from polyanthus leaves, we determined that sedoheptulose reductase has a pH optimum between 7.0 and 8.0, a very high substrate specificity, and displays saturable concentration dependence for both sedoheptulose (apparent Km = 21 mm) and NADPH (apparent Km = 0.4 mm). Our results suggest that volemitol is important in certain Primula species as a photosynthetic product, phloem translocate, and storage carbohydrate.

(+)-Germacrene A Biosynthesis : The Committed Step in the Biosynthesis of Bitter Sesquiterpene Lactones in Chicory

The leaves and especially the roots of chicory (Cichorium intybus L.) contain high concentrations of bitter sesquiterpene lactones such as the guianolides lactupicrin, lactucin, and 8-deoxylactucin. Eudesmanolides and germacranolides are present in smaller amounts. Their postulated biosynthesis through the mevalonate-farnesyl diphosphate-germacradiene pathway has now been confirmed by the isolation of a (+)-germacrene A synthase from chicory roots. This sesquiterpene cyclase was purified 200-fold using a combination of anion-exchange and dye-ligand chromatography. It has a Km value of 6.6 μm, an estimated molecular mass of 54 kD, and a (broad) pH optimum around 6.7. Germacrene A, the enzymatic product, proved to be much more stable than reported in literature. Its heat-induced Cope rearrangement into (−)-β-elemene was utilized to determine its absolute configuration on an enantioselective gas chromatography column. To our knowledge, until now in sesquiterpene biosynthesis, germacrene A has only been reported as an (postulated) enzyme-bound intermediate, which, instead of being released, is subjected to additional cyclization(s) by the same enzyme that generated it from farnesyl diphosphate. However, in chicory germacrene A is released from the sesquiterpene cyclase. Apparently, subsequent oxidations and/or glucosylation of the germacrane skeleton, together with a germacrene cyclase, determine whether guaiane- or eudesmane-type sesquiterpene lactones are produced.