Фермент CYP74B34 моркови (Daucus carota) с двойной активностью гидропероксидлиазы и эпоксиалкогольсинтазы: выявление и биохимические свойства

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Липоксигеназный каскад растений является источником окисленных производных жирных кислот – оксилипинов, которые играют важную роль в регуляторных процессах, а также при формировании ответных реакций на воздействие стрессовых факторов. Одними из самых распространенных ферментов липоксигеназного каскада являются 13-специфичные гидропероксидлиазы (ГПЛ, синоним «гемиацетальсинтазы») подсемейства CYP74B. В настоящей работе описано обнаружение и клонирование гена CYP74B34 моркови (Daucus carota L.), а также описание биохимических свойств соответствующего рекомбинантного фермента. Фермент CYP74B34 проявляет активность в отношении 9- и 13-гидроперекисей линолевой (9-ГПОД и 13-ГПОД соответственно) и α-линоленовой (9-ГПОТ и 13-ГПОТ соответственно) кислот. CYP74B34 специфически превращает 9-ГПОТ и 13-ГПОТ в альдокислоты (продукты ГПЛ). Превращение 13-ГПОД приводит к образованию альдокислот (в качестве основных продуктов) и эпоксиспиртов (в качестве минорных продуктов). Эпоксиспирты являются продуктами активности эпоксиалкогольсинтазы (ЭАС). В то же время в случае превращения 9-ГПОД основными продуктами являются эпоксиспирты, а минорными – альдокислоты. Таким образом, фермент CYP74B34 является первым описанным у моркови ферментом с двойной активностью ГПЛ и ЭАС. Присутствие соответствующих каталитических активностей подтверждено результатами анализа профилей оксилипинов корней молодых проростков и зрелых растений. Кроме того, в работе описаны результаты замены аминокислотного остатка в одном из каталитически важных сайтов.

Об авторах

Я. Ю. Топоркова

ФИЦ «Казанский научный центр РАН»

Автор, ответственный за переписку.
Email: kibmail@kibb.knc.ru

Казанский институт биохимии и биофизики

Россия, 420111 Казань

С. С. Горина

ФИЦ «Казанский научный центр РАН»

Email: kibmail@kibb.knc.ru

Казанский институт биохимии и биофизики

Россия, 420111 Казань

Т. М. Ильина

ФИЦ «Казанский научный центр РАН»

Email: kibmail@kibb.knc.ru

Казанский институт биохимии и биофизики

Россия, 420111 Казань

Н. В. Ланцова

ФИЦ «Казанский научный центр РАН»

Email: kibmail@kibb.knc.ru

Казанский институт биохимии и биофизики

Россия, 420111 Казань

А. Н. Гречкин

ФИЦ «Казанский научный центр РАН»

Email: kibmail@kibb.knc.ru

Казанский институт биохимии и биофизики

Россия, 420111 Казань

Список литературы

  1. Grechkin, A. N. (1998) Recent developments in biochemistry of the plant lipoxygenase pathway, Prog. Lipid Res., 37, 317-352, https://doi.org/10.1016/S0163-7827(98)00014-9.
  2. Lee, D.-S., Nioche, P., Hamberg, M., and Raman, C. S. (2008) Structural insights into the evolutionary paths of oxylipin biosynthetic enzymes, Nature, 455, 363-368, https://doi.org/10.1038/nature07307.
  3. Brodhun, F., and Feussner, I. (2011) Oxylipins in fungi, FEBS J., 278, 1047-1063, https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2011.08027.x.
  4. Barbosa, M., Valentão, P., and Andrade, P. B. (2016) Biologically active oxylipins from enzymatic and nonenzymatic routes in macroalgae, Mar. Drugs, 14, 23, https://doi.org/10.3390/md14010023.
  5. Jiang, Z.-D., and Gerwick, W. H. (1997) Novel oxylipins from the temperate red alga Polyneura latissima: evidence for an arachidonate 9(S)-lipoxygenase, Lipids, 32, 231-235, https://doi.org/10.1007/s11745-997-0029-9.
  6. Calder, P. C. (2020) Eicosanoids, Essays Biochem., 64, 423-441, https://doi.org/10.1042/EBC20190083.
  7. Halliwell, B., and Gutteridge, J. M. C. (2015) Free Radicals in Biology and Medicine, Oxford University Press, USA, https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780198717478.001.0001.
  8. Göbel, C., and Feussner, I. (2009) Methods for the analysis of oxylipins in plants, Phytochemistry, 70, 1485-1503, https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2009.07.040.
  9. Kuhn, H., Banthiya, S., and Van Leyen, K. (2015) Mammalian lipoxygenases and their biological relevance, Biochim. Biophys. Acta, 1851, 308-330, https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2014.10.002.
  10. Toporkova, Y. Y., Smirnova, E. O., and Gorina, S. S. (2024) Epoxyalcohol synthase branch of lipoxygenase cascade, Curr. Issues Mol. Biol., 46, 821-841, https://doi.org/10.3390/cimb46010053.
  11. Feussner, I., and Wasternack, C. (2002) The lipoxygenase pathway, Annu. Rev. Plant Biol., 53, 275-297, https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.53.100301.135248.
  12. Nelson, D. R., Goldstone, J. V., and Stegeman, J. J. (2013) The cytochrome P450 genesis locus: the origin and evolution of animal cytochrome P450s, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci., 368, 20120474, https://doi.org/10.1098/rstb.2012.0474.
  13. Savchenko, T. V., Zastrijnaja, O. M., and Klimov, V. V. (2014) Oxylipins and plant abiotic stress resistance, Biochemistry (Moscow), 79, 362-375, https://doi.org/10.1134/S0006297914040051.
  14. Toporkova, Y. Y., Fatykhova, V. S., Gogolev, Y. V., Khairutdinov, B. I., Mukhtarova, L. S., and Grechkin, A. N. (2017) Epoxyalcohol synthase of Ectocarpus siliculosus. First CYP74-related enzyme of oxylipin biosynthesis in brown algae, Biochim. Biophys. Acta, 1761, 1419-1428, https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2016.11.007.
  15. Toporkova, Y. Y., Gorina, S. S., Mukhitova, F. K., Hamberg, M., Ilyina, T. M., Mukhtarova, L. S., and Grechkin, A. N. (2017) Identification of CYP443D1 (CYP74 clan) of Nematostella vectensis as a first cnidarian epoxyalcohol synthase and insights into its catalytic mechanism, Biochim. Biophys. Acta, 1862(10 Pt A), 1099-1109, https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2017.07.015.
  16. Горина С. С., Топоркова Я. Ю., Мухтарова Л. Ш., Гречкин А. Н. (2019) Цитохром CYP443C1 (клан CYP74) актинии Nematostella vectensis – первый фермент Metazoa, проявляющий двойную активность гидропероксидлиазы и эпоксиалкогольсинтазы, Доклады Академии наук, 486, 384-388, https://doi.org/10.31857/S0869-56524863384-388.
  17. Toporkova, Y. Y., Smirnova, E. O., Lantsova, N. V., Mukhtarova, L. S., and Grechkin, A. N. (2021) Detection of the first epoxyalcohol synthase/allene oxide synthase (CYP74 clan) in the lancelet (Branchiostoma belcheri, Chordata), Int. J. Mol. Sci., 22, 4737, https://doi.org/10.3390/ijms22094737.
  18. Smirnova, E. O., Lantsova, N. V., Hamberg, M., Toporkova, Y. Y., and Grechkin, A.N. (2024) The versatile CYP74 clan enzyme CYP440A19 from the European lancelet Branchiostoma lanceolatum biosynthesizes novel macrolactone, epoxydiene, and related oxylipins, Biochim. Biophys. Acta, 1869, 159507, https://doi.org/10.1016/ j.bbalip.2024.159507.
  19. Hansen, C. C., Nelson, D. R., Moller, B. L., Werck-Reichhart, D. (2021) Plant cytochrome P450 plasticity and evolution, Mol. Plant., 14, 1244-1265, https://doi.org/10.1016/j.molp.2021.06.028.
  20. Toporkova, Y. Y., Smirnova, E. O., Iljina, T. M., Mukhtarova, L. S., Gorina, S. S., and Grechkin, A. N. (2020) The CYP74B and CYP74D divinyl ether synthases possess a side hydroperoxide lyase and epoxyalcohol synthase activities that are enhanced by the site-directed mutagenesis, Phytochemistry, 179, 112512, https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2020.112512.
  21. Ono, E., Handa, T., Koeduka, T., Toyonaga, H., Tawfik, M. M., Shiraishi, A., Murata, J., and Matsui, K. (2016) CYP74B24 is the 13-hydroperoxide lyase involved in biosynthesis of green leaf volatiles in tea (Camellia sinensis), Plant Physiol. Biochem., 98, 112-118, https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2015.11.016.
  22. Matsui, K., Shibutani, M., Hase, T., and Kajiwara, T. (1996) Bell pepper fruit fatty acid hydroperoxide lyase is a cytochrome P450 (CYP74B), FEBS Lett., 394, 21-24, https://doi.org/10.1016/0014-5793(96)00924-6.
  23. Matsui, K., Ujita, C., Fujimoto, S.H., Wilkinson, J., Hiatt, B., Knauf, V., Kajiwara, T., and Feussner, I. (2000) Fatty acid 9-and 13-hydroperoxide lyases from cucumber, FEBS Lett., 481, 183-188, https://doi.org/10.1016/S0014-5793(00)01997-9.
  24. Matsui, K., Wilkinson, J., Hiatt, B., Knauf, V., and Kajiwara, T. (1999) Molecular cloning and expression of Arabidopsis fatty acid hydroperoxide lyase, Plant Cell Physiol., 40, 477-481, https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.pcp.a029567.
  25. Matsui, K., Miyahara, C., Wilkinson, J., Hiatt, B., Knauf, V., and Kajiwara, T. (2000) Fatty acid hydroperoxide lyase in tomato fruits: cloning and properties of a recombinant enzyme expressed in Escherichia coli, Biosci. Biotechnol. Biochem., 64, 1189-1196, https://doi.org/10.1271/bbb.64.1189.
  26. Kandzia, R., Stumpe, M., Berndt, E., Szalata, M., Matsui, K., and Feussner, I. (2003) On the specificity of lipid hydroperoxide fragmentation by fatty acid hydroperoxide lyase from Arabidopsis thaliana, J. Plant Physiol., 160, 803-809, https://doi.org/10.1078/0176-1617-01026.
  27. Noordermeer, M. A., van Dijken, A. J., Smeekens, S. C., Veldink, G. A., and Vliegenthart, J. F. (2000) Characterization of three cloned and expressed 13-hydroperoxide lyase isoenzymes from alfalfa with unusual N-terminal sequences and different enzyme kinetics, Eur. J. Biochem., 267, 2473-2482, https://doi.org/10.1046/j.1432-1327.2000.01283.x.
  28. Howe, G. A., Lee, G. I., Itoh, A., Li, L., and DeRocher, A. E. (2000) Cytochrome P450-dependent metabolism of oxylipins in tomato. Cloning and expression of allene oxide synthase and fatty acid hydroperoxide lyase, Plant Physiol., 123, 711-724, https://doi.org/10.1104/pp.123.2.711.
  29. Tijet, N., Waspi, U., Gaskin, D. J., Hunziker, P., Muller, B. L., Vulfson, E. N., Slusarenko, A., Brash, A. R., and Whitehead, I. M. (2000) Purification, molecular cloning, and expression of the gene encoding fatty acid 13-hydroperoxide lyase from guava fruit (Psidium guajava), Lipids, 35, 709-720, https://doi.org/10.1007/s11745-000-0577-z.
  30. Noordermeer, M. A., Veldink, G. A., and Vliegenthart, J. F. (2001) Fatty acid hydroperoxide lyase: a plant cytochrome P450 enzyme involved in wound healing and pest resistance, Chembiochem, 2, 494-504, https://doi.org/10.1002/1439-7633(20010803)2:7/8<494::AID-CBIC494>3.0.CO;2-1.
  31. Toporkova, Y. Y., Askarova, E. K., Gorina, S. S., Ogorodnikova, A. V., Mukhtarova, L. S., and Grechkin, A. N. (2020) Epoxyalcohol synthase activity of the CYP74B enzymes of higher plants, Biochim. Biophys. Acta, 1865, 158743, https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2020.158743.
  32. Tijet, N., Schneider, C., Muller, B. L., and Brash, A. R. (2001) Biogenesis of volatile aldehydes from fatty acid hydroperoxides: molecular cloning of a hydroperoxide lyase (CYP74C) with specificity for both the 9- and 13-hydroperoxides of linoleic and linolenic acids, Arch. Biochem. Biophys., 386, 281-289, https://doi.org/10.1006/abbi.2000.2218.
  33. Mita, G., Quarta, A., Fasano, P., De Paolis, A., Di Sansebastiano, G. P., Perrotta, C., Iannacone, R., Belfield, E., Hughes, R., Tsesmetzis, N., Casey, R., and Santino, A. (2005) Molecular cloning and characterization of an almond 9-hydroperoxide lyase, a new CYP74 targeted to lipid bodies, J. Exp. Bot., 56, 2321-2333, https://doi.org/10.1093/jxb/eri225.
  34. Grechkin, A. N., Brühlmann, F., Mukhtarova, L. S., Gogolev, Y. V., and Hamberg, M. (2006) Hydroperoxide lyases (CYP74C and CYP74B) catalyze the hemolytic isomerization of fatty acid hydroperoxides into hemiacetals, Biochim. Biophys. Acta, 1761, 1419-1428, https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2006.09.002.
  35. Hughes, R. K., Belfield, E. J., Muthusamay, M., Khan, A., Rowe, A., Harding, S. E., Fairhurst, S. A., Bornemann, S., Ashton, R., Thorneley, R. N. F., and Casey, R. (2006) Characterization of Medicago truncatula (barrel medic) hydroperoxide lyase (CYP74C3), a water-soluble detergent-free cytochrome P450 monomer whose biological activity is defined by monomer-micelle association, Biochem. J., 395, 641-652, https://doi.org/10.1042/BJ20051667.
  36. Wan, X.-H., Chen, S.-X., Wang, C.-Y., Zhang, R.-R., Cheng, S.-Q., Meng, H.-W., and Shen, X.-Q. (2013) Isolation, expression, and characterization of a hydroperoxide lyase gene from cucumber, Int. J. Mol. Sci., 14, 22082-22101, https://doi.org/10.3390/ijms141122082.
  37. Toporkova, Y. Y., Gorina, S. S., Bessolitsyna, E. K., Smirnova, E. O., Fatykhova, V. S., Brühlmann, F., Ilyina, T. M., Mukhtarova, L. S., and Grechkin, A. N. (2018) Double function hydroperoxide lyases/epoxyalcohol synthases (CYP74C) of higher plants: identification and conversion into allene oxide synthases by site-directed mutagenesis, Biochim. Biophys. Acta, 1863, 369-378, https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2018.01.002.
  38. Tanaka, M., Koeduka, T., and Matsui, K. (2021) Green leaf volatile-burst in Selaginella moellendorffii, Front Plant Sci., 12, 731694, https://doi.org/10.3389/fpls.2021.731694.
  39. Toporkova, Y. Y., Askarova, E. K., Gorina, S. S., Mukhtarova, L. S., and Grechkin, A. N. (2022) Oxylipin biosynthesis in spikemoss Selaginella moellendorffii: Identification of allene oxide synthase (CYP74L2) and hydroperoxide lyase (CYP74L1), Phytochemistry, 195, 113051, https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2021.113051.
  40. Kuroda, H., Oshima, T., Kaneda, H., and Takashio, M. (2005) Identification and functional analyses of two cDNAs that encode fatty acid 9-/13-hydroperoxide lyase (CYP74C) in rice, Biosci. Biotechnol. Biochem., 69, 1545-1554, https://doi.org/10.1271/bbb.69.1545.
  41. Li, Y., and Wei, K. (2020) Comparative functional genomics analysis of cytochrome P450 gene superfamily in wheat and maize, BMC Plant Biol., 20, 93, https://doi.org/10.1186/s12870-020-2288-7.
  42. Stumpe, M., Bode, J., Göbel, C., Wichard, T., Schaaf, A., Frank, W., Frank, M., Reski, R., Pohnert, G., and Feussner, I. (2006) Biosynthesis of C9-aldehydes in the moss Physcomitrella patens, Biochim. Biophys. Acta, 1761, 301-312, https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2006.03.008.
  43. Gorina, S. S., Mukhitova, F. K., Ilyina, T. M., Toporkova, Y. Y., and Grechkin, A. N. (2019) Detection of unprecedented allene oxide synthase member of CYP74B subfamily: CYP74B33 of carrot (Daucus carota), Biochim. Biophys. Acta, 1864, 1580-1590, https://doi.org/10.1016/j.bbalip.2019.07.004.
  44. Wilson, R. A., Gardner, H. W., and Keller, N. P. (2001) Cultivar-dependent expression of a maize lipoxygenase responsive to seed infesting fungi, Mol. Plant Microbe Iinteract., 14, 980-987, https://doi.org/10.1094/MPMI.2001.14.8.980.
  45. Kumar, S., Stecher, G., and Tamura, K. (2016) MEGA7: Molecular Evolutionary Genetics Analysis version 7.0 for bigger datasets, Mol. Biol. Evol., 33, 1870-1874, https://doi.org/10.1093/molbev/msw054.
  46. Zuckerkandl, E., and Pauling, L. (1965) Evolutionary divergence and convergence in proteins (Bryson, V., and Vogel, H. J., eds) Evolving Genes and Proteins, Academic Press, New York, pp. 97-166, https://doi.org/10.1016/B978-1-4832-2734-4.50017-6.
  47. Felsenstein, J. (1985) Confidence limits on phylogenies: an approach using the bootstrap, Evolution, 39, 783-791, https://doi.org/10.1111/j.1558-5646.1985.tb00420.x.
  48. Zoller, M. J., and Smith, M. (1982) Oligonucleotide-directed mutagenesis using M13-derived vectors: an efficient and general procedure for the production of point mutations in any fragment of DNA, Nucleic Acids Res., 10, 6487-6500, https://doi.org/10.1093/nar/10.20.6487.
  49. Toporkova, Y. Y., Gogolev, Y. V., Mukhtarova, L. S., and Grechkin, A. N. (2008) Determinants governing the CYP74 catalysis: conversion of allene oxide synthase into hydroperoxide lyase by site-directed mutagenesis, FEBS Lett., 582, 3423-3428, https://doi.org/10.1016/j.febslet.2008.09.005.
  50. Schenkman, J. B., and Jansson, I. (2006) Spectral analyses of cytochromes P450, Cytochrome P450 protocols, Humana Press, Totowa, NJ, pp. 11-18, https://doi.org/10.1385/1-59259-998-2:11.
  51. Werck-Reichhart, D., and Feyereisen, R. (2000) Cytochromes P450: a success story, Genome Biol., 1, REVIEWS3003, https://doi.org/10.1186/gb-2000-1-6-reviews3003.
  52. Mukhtarova, L. S., Mukhitova, F. K., Gogolev, Y. V., and Grechkin, A. N. (2011) Hydroperoxide lyase cascade in pea seedlings: non-volatile oxylipins and their age and stress dependent alterations, Phytochemistry, 72, 356-364, https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2011.01.013

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Приложение
Скачать (557KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024