EST-Analyse von Humulus lupulus L.-Trichomen - Identifizierung einer O-Methyltransferase, welche die Biosynthese von Xanthohumol katalysiert
Creators: name: Nagel, Jana
Publisher: name: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
Year: 2009
Subjects: subject: Hochschulschrift
subject: Online-Publikation
subject: Zsfassung in engl. Sprache
subject: 572.452345

description: Der Hopfen H. lupulus L. akkumuliert in den glandulären Trichomen der Zapfen ätherisches Öl und Hopfenharz. Das Harz stellt eine Mischung aus verschiedenen Sekundärmetaboliten dar, wozu die für die Verwendung von Hopfen in der Brauerei wichtigen Bittersäuren als auch prenylierte Flavonoide zählen. Das Hauptprenylflavonoid Xanthohumol ist eine pharmakologisch aktive Substanz, dessen Wirkung in zahlreichen Untersuchungen erforscht wurde. Dabei hat das krebspräventive sowie das Wachstum von Tumoren inhibierende Potential von Xanthohumol die größte Bedeutung. Um die Biosynthese von Xanthohumol in H. lupulus aufzuklären, wurden 2103 ESTs von cDNA-Bibliotheken aus Trichomen sequenziert. In der Xanthohumol-Biosynthese finden neben einer Polyketidreaktion, eine Prenylierungs- und eine O-Methylierungsreaktion statt. In der EST-Kollektion waren zahlreiche ESTs der bekannten Typ III-Polyketidsynthase CHS_H1 vorhanden, die den ersten Reaktionsschritt der Xanthohumol-Biosynthese katalysiert. Als mögliche Kandidaten für die Katalyse der Methylierungsreaktion wurden fünf Sequenzen identifiziert, die zu charakterisierten pflanzlichen S-Adenosyl-L-Methioninabhängigen O-Methyltransferasen Homologie aufwiesen (HlOMT1-5). Expressionsstudien mittels Real-time PCR zeigten, dass die HlOMT1 in den Trichomen die am höchsten exprimierte HlOMT ist. In Enzymaktivitätstests methylierten die rekombinanten HlOMT1 und HlOMT2 potentielle Vorstufen von Xanthohumol. Die HlOMT1 setzte Desmethylxanthohumol zu Xanthohumol um und katalysiert damit die letzte Reaktion der Xanthohumol-Biosynthese. Die HlOMT2 akzeptierte eine Reihe verschiedener Chalkone, in der Reaktion mit Desmethylxanthohumol wurde aber kein Xanthohumol gebildet. Massenspektrometrische Untersuchungen und NMR-Analysen zeigten, dass die HlOMT2 Xanthohumol zu 4-O-Methylxanthohumol methyliert. Diese Verbindung ist bisher nicht aus H. lupulus bekannt und die endogene Funktion der HlOMT2 unklar. Die rekombinanten HlOMT3, HlOMT4 und HlOMT5 waren im Enzymtest mit den getesteten Substraten nicht aktiv. In der EST-Kollektion waren außerdem viele ESTs mit Sequenzähnlichkeit zu Chalkon-Isomerasen vorhanden. Die rekombinanten Proteine zeigten im Enzymtest keine Chalkon-Isomerase-Aktivität. Eine potentielle Funktion in den H. lupulus-Trichomen wird diskutiert. Die hier erstellte EST-Kollektion gibt einen Einblick in die metabolische Spezialisierung von H. lupulus-Trichomzellen und steht als genetische Ressource zur Verfügung.
description: In the glandular trichomes of hop H. lupulus L. essential oils and terpenophenolic resins are accumulated. Hop resin is composed of a number of different secondary metabolites. While the acylphloroglucinols are responsible for the bitterness of beer, another part of the resin is made up of prenylated flavonoids of which the bioactive xanthohumol is accumulated in highest amounts. It is active as a chemopreventive agent and could inhibit the growth of cancer cells. It may therefore be used for the prevention and treatment of certain types of cancer. To elucidate the biosynthetic pathway leading to xanthohumol 2103 ESTs from a trichome cDNA library were sequenced. In xanthohumol biosynthesis a polyketide reaction is followed by a prenylation and an O-methylation step, whereas the order and the enzymes of the latter two reactions were unknown. ESTs representing enzymes of the known type III polyketide synthase CHS_H1 were abundant in the EST data set. Five sequences with homology to known S-adenosyl-L-methionine-dependent O-methyltransferases from plants were identified (HlOMT1-5). Expression analysis by real time PCR showed that HlOMT1 was the most highly expressed HlOMT in glandular trichomes. Recombinant HlOMT1 and HlOMT2 methylated potential precursors of xanthohumol. HlOMT1 methylated desmethylxanthohumol to form xanthohumol and therefore performs the final reaction in xanthohumol biosynthesis. HlOMT2 accepted a broad range of substrates, including desmethylxanthohumol, but did not form xanthohumol. Mass spectrometry and nuclear magnetic resonance analysis showed it methylated xanthohumol to 4-O-methylxanthohumol, which is not known from hop. Therefore the endogenous role of HlOMT2 stays to be investigated. No substrates could be identified for HlOMT3, HlOMT4 and HlOMT5. In addition the EST-collection contained numerous ESTs with sequence similarity to chalcone isomerases. The recombinant proteins proved to be inactive in the enzyme activity test. Their possible role in H. lupulus-trichomes is discussed. The trichome-specific EST data set expands the genomic resources for H. lupulus and provides further insight into the metabolic specialization of its glandular trichomes.