Acylotransferazy uczestniczące w metabolizmie wtórnym
roślin: klasyfikacja, struktura, mechanizm działania
STRESZCZENIE
Anna Ciarkowska*ð
cylotransferazy funkcjonują w wielu różnych szlakach metabolicznych u roślin, między
Ainnymi w metabolizmie wtórnym. Enzymy te katalizują przeniesienie grupy acylowej
Maciej Ostrowski
z bogatej w energiÄ™ czÄ…steczki donorowej na grupÄ™ nukleofilowÄ… czÄ…steczki akceptorowej z
jednoczesnym wytworzeniem wiązania estrowego. Wyróżnia się dwie rodziny acylotransfe-
Anna Jakubowska
raz: acylotransferazy podobne do karboksypeptydaz serynowych (SCPL) oraz acylotransfe-
razy BAHD, nazwane tak od czterech pierwszych opisanych enzymów z tej rodziny: BEAT
(ang. benzylalcohol O-acetyltransferase), AHCT (ang. anthocyanin O-hydroxycinnamoyl-
Zakład Biochemii, Wydział Biologii i
transferase), HCBT (ang. anthranilate N-hydroxycinnamoyl-/benzoyltransferase) oraz DAT
Ochrony Środowiska, Uniwersytet Mikoła-
(ang. deacetylvindoline 4-O-acetyltransferase). Na podstawie różnic w specyficzności sub-
ja Kopernika, Toruń
stratowej oraz sekwencji aminokwasowej acylotransferazy BAHD zostały zaklasyfikowane
do pięciu grup. Acylotransferazy SCPL jako donor grupy acylowej wykorzystują bogate w
*ð
Zakład Biochemii, Wydział Biologii i
energiÄ™ estry 1-O-²-D-glukozy zamiast tioestrów koenzymu A, bÄ™dÄ…cych substratami dla
Ochrony Środowiska, Uniwersytet Mikoła-
liczniejszej rodziny acylotransferaz BAHD. Acylotransferazy SCPL wykazujÄ… homologiÄ™
ja Kopernika, ul. Lwowska 1, 87-100 Toruń;
względem hydrolaz z rodziny karboksypeptydaz serynowych i dzielą z nimi pewne elemen-
tel.: [phone]; e-mail: annaciar@dokto-
ty strukturalne, takie jak konserwowana ewolucyjnie triada katalityczna oraz charaktery-
rant.umk.pl
styczne dla aktywnoÅ›ci hydrolitycznej pofaÅ‚dowanie Ä…/².
Artykuł otrzymano 2 września 2014 r.
WPROWADZENIE
Artykuł zaakceptowano 27 listopada 2014 r.
Metabolity wtórne są małocząsteczkowymi naturalnymi składnikami roślin-
SÅ‚owa kluczowe: karboksypeptydazy sery-
nymi, które pierwotnie uważano za produkty uboczne metabolizmu roślinnego,
nowe, acylotransferazy BAHD, acylotrans-
nieistotne dla normalnego wzrostu i rozwoju roślin. Chociaż rola wielu z nich
ferazy SCPL, metabolizm wtórny
wciąż nie jest znana, wiadomo, że metabolity wtórne odgrywają istotną rolę w
fizjologii roślin oraz odpowiedziach obronnych wywoływanych zarówno przez
Wykaz skrótów: BAHD  BEAT (ang. ben-
czynniki biotyczne jak i abiotyczne [1]. Roślinne metabolity wtórne mają tak- zylalcohol O-acetyltransferase); AHCT (ang.
anthocyanin O-hydroxycinnamoyltransferase);
że wiele zastosowań praktycznych, szczególnie po selektywnym zwiększeniu
HCBT (ang. anthranilate N-hydroxycinna-
ich pozyskiwania z roślin metodami biotechnologicznymi. Znajdują one zasto-
moyl-/benzoyltransferase); DAT (ang. deace-
sowanie jako środki ochrony roślin, wykorzystuje się je również w przemyśle
tylvindoline 4-O-acetyltransferase); SalAT 
spożywczym, kosmetycznym oraz farmaceutycznym. Bogactwo i różnorodność
7-O-acetylotransferaza salutaridinolu; DAT
roślinnych metabolitów wtórnych, szacowanych na ponad 200 000, jest cechą
 acetylotransferaza deacetylowindoliny;
charakterystyczną metabolizmu roślin [1]. To oznacza, że rośliny musiały rozwi- SCP  karboksypeptydazy serynowe;
SCPL  białka podobne do karboksypep-
jać w trakcie ewolucji wyspecjalizowane aktywności enzymatyczne umożliwia-
tydaz serynowych; SGT  glukozylotrans-
jące powstawanie tych składników.
feraza UDP-glukoza : kwas synapinowy;
SMT  synapoilotransferaza synapoilo-
Wyjątkowa strukturalna i funkcjonalna różnorodność naturalnych produk-
glukoza : jabłczan; SCT  synapoliotrans-
tów roślinnych jest efektem ich modyfikacji w wyniku glikozylacji, hydroksyla- feraza synapoiloglukoza : cholina; SAT
 synapoilotransferaza synapoiloglukoza:
cji, dekarboksylacji, metylacji oraz szczególnie szeroko rozpowszechnionych w
antocyjan; SST  synapoilotransferaza sy-
szlakach metabolizmu wtórnego reakcji acylacji zachodzących z udziałem acy-
napoiloglukoza : synapoiloglukoza; IAA 
lotransferaz [2,3]. Acylotransferazy (EC 2.3.1.x) katalizujÄ… przeniesienie grupy
kwas indolilo-3-octowy
acylowej z bogatej w energiÄ™ czÄ…steczki donora na grupÄ™ nukleofilowÄ… (hydrok-
sylowÄ…, aminowÄ… lub tiolowÄ…) akceptora z jednoczesnym wytworzeniem wiÄ…za-
nia estrowego. Wśród acylotransferaz wyróżnia się dwie rodziny enzymów róż-
niÄ…ce siÄ™ rodzajem wykorzystywanego donora grupy acylowej oraz lokalizacjÄ…
wewnątrzkomórkową: rodzina BAHD, która swoją nazwę zawdzięcza czterem
pierwszym opisanym enzymom tej grupy: BEAT (ang. benzylalcohol O-acetyl-
transferase), AHCT (ang. anthocyanin O-hydroxycinnamoyltransferase), HCBT (ang.
anthranilate N-hydroxycinnamoyl-/benzoyltransferase) i DAT (ang. deacetylvindoline
4-O-acetyltransferase) [3,4] oraz rodzina SCPL (ang. serine carboxypeptidase-like)
[2,5].
W artykule przedstawiono dotychczasową wiedzę na temat występowania,
mechanizmu działania i roli acylotransferaz w metabolizmie wtórnym roślin.
Postępy Biochemii 61 (1) 2015 69
ACYLOTRANSFERAZY Z RODZINY BAHD organicznej, stąd zainteresowanie biotechnologów budzi
możliwość produkcji rekombinowanych enzymów BAHD.
Rodzina BAHD, zdecydowanie liczniejsza w porówna-
niu z rodziną SCPL, obejmuje zróżnicowane funkcjonalnie Jednym z przedstawicieli wspomnianej rodziny jest, na-
acylotransferazy, które jako donor reszty acylowej wyko- leżąca do podklasy V, N-benzoilotransferaza 2-N-deben-
rzystujÄ… tioestry koenzymu A. Enzymy te uczestniczÄ… w zenoilotaksolu (DBNTBT), katalizujÄ…ca ostatni etap synte-
tworzeniu i modyfikacji specyficznych metabolitów, takich zy taksolu [11,12]. Taksol (paklitaksel) jest diterpenoidem
jak estry alkoholowe określające zapach kwiatów i aromat występującym naturalnie w owocach Taxus baccata i od lat
owoców, antocyjany czy flawonole występujące w barwni- z powodzeniem stosowanym w farmakoterapii niektórych
kach [4]. Większość scharakteryzowanych do tej pory acylo- nowotworów złośliwych. Gen kodujący DBNTBT został
transferaz BAHD uważa się za rozpuszczalne białka cytoso- sklonowany, a oczyszczone rekombinowane białko charak-
lowe, ponieważ, jak pokazują analizy in silico, nie zawierają teryzuje się wysoką specyficznością względem N-debenzo-
peptydów kierujących do organelli komórkowych [4]. Masa ilotaksolu, jako substratu reakcji oraz benzoilo~CoA, jako
cząsteczkowa tych enzymów waha się od 48 do 54 kDa. donora reszty arylowej.
Badania z wykorzystaniem ukierunkowanej mutagenezy
wykazały obecność kilku konserwatywnych motywów w Innym przykładem acylotransferazy z rodziny BAHD
obrębie struktury białek BAHD, nieodzownych dla katalizy zaangażowanej w syntezę metabolitów wtórnych o waż-
enzymatycznej. Pierwszy ze wspomnianych motywów sta- nym znaczeniu farmakologicznym jest 7-O-acetylotrans-
nowi fragment HXXXDG krytyczny dla przeniesienia resz- feraza salutaridinolu (SalAT) z maku Papaver somniferum,
ty acylowej. Reszta histydyny występująca w tym motywie która uczestniczy w biosyntezie alkaloidów: kodeiny i
uczestniczy w odłączeniu protonu od grupy aminowej lub morfiny [7]. Enzym ten należy do podklasy III BAHD i
hydroksylowej podczas ataku nukleofilowego czÄ…steczki przeprowadza reakcjÄ™ acetylacji salutaridinolu do 7-O-ace-
substratu na tioester CoA [6]. Drugim charakterystycznym tylosalutaridinolu, który następnie ulega spontanicznemu
motywem transferaz BAHD jest peptyd DFGWG położony przekształceniu do tebainy. Analiza sekwencji aminokwa-
blisko C-końca białek. sowej SalAT wykazała wysokie podobieństwo (37% iden-
tyczności) z acetylotransferazą deacetylowindoliny (DAT)
Na podstawie struktury krystalicznej syntazy winoryny, z Catharanthus roseus, katalizującą syntezę windoliny, która
enzymu z Rauvolfia serpentine katalizujÄ…cego biosyntezÄ™ alka- jest prekursorem winblastyny stosowanej w chemioterapii
loidu indolowego stwierdzono, że acylotransferazy BAHD nowotworów [13].
są białkami globularnymi, złożonymi z dwóch domen po-
ACYLOTRANSFERAZY Z RODZINY SCPL
łączonych pętlą [6]. Na podstawie analizy filogenetycznej
opartej na specyficzności substratowej oraz sekwencji ami-
nokwasowej polipeptydów podzielono je na pięć grup [4]. Ponad dekadę temu zidentyfikowano nowy, niezwykle
Grupę I reprezentują acylotransferazy przenoszące głównie interesujący typ acylotransferaz, które jako donor resz-
resztę malonylową i katalizujące syntezę antocyjanów. En- ty acylowej wykorzystują alternatywny substrat: estry
zymy tej grupy zawierajÄ…, oprócz wczeÅ›niej wspomnianych ²-acetalowe glukozy (estry 1-O-²-D-glukozy) charaktery-
motywów, zachowany w ewolucji fragment YFGNC. W ob- zujące się wysokim potencjałem przenoszenia grupy acy-
rębie grupy II wyróżniono białka zaangażowane w syntezę lowej [14]. Ich biosyntezę katalizują glukozylotransferazy
wosków zawierających długołańcuchowe alkohole, lecz w zależne od UDP-glukozy [15,16]. Acylotransferazy z tej ro-
przeciwieństwie do pozostałych grup, nieznana jest specy- dziny wykazują homologię względem karboksypeptydaz
ficzna reszta acylowa przenoszona przez tioestry CoA pod- serynowych, SCP (ang. serine carboxypeptidases) z rodziny
czas katalizowanej reakcji [4]. Reszty: acetylowa i malony- peptydaz S10, które hydrolizują wiązania peptydowe mię-
lowa są przyłączane do cząsteczki akceptora przez enzymy dzy przedostatnią i C-końcową resztą aminokwasową biał-
należące do grupy III, wśród których znajdują się transfera- ka lub peptydu. Z tego względu enzymy te określa się jako
zy uczestniczące w syntezie olejków eterycznych kwiatów i acylotransferazy podobne do karboksypeptydaz seryno-
owoców, kapsaicyny, antocyjanów oraz alkaloidów o zna- wych, SCPL (ang. serine carboxypeptidase-like) [2,5]. Zarów-
czeniu farmakologicznym (tebaina, morfina) [4,7]. no karboksypeptydazy SCP, jak i acylotransferazy SCPL
posiadają charakterystyczne dla aktywności hydrolitycznej
Na tle wymienionych transferaz BAHD, skromnie wy- elementy strukturalne: pofaÅ‚dowanie Ä…/² oraz konserwo-
różnia się grupa IV, do której, jak dotąd, należy tylko jeden waną ewolucyjnie triadę katalityczną, którą stanowią reszty
enzym: kumaroilotransferaza agmatyny (ACT). PiÄ…ta grupa seryny, histydyny i kwasu asparaginowego (Ser-His-Asp).
liczy około 20 enzymów przenoszących różne grupy acylo- Acylotransferazy SCPL nie są jednak w stanie hydrolizo-
we oraz, co odróżnia ją od pozostałych BAHD, także resztę wać wiązań peptydowych [17,18]. Uważa się, że SCP i SCPL
arylową (benzylową) [8]. Wśród tych białek zidentyfikowa- powstały w wyniku ewolucji dywergentnej, która w przy-
no transferazy syntetyzujące benzylobenzoesan, alkaloidy padku białek SCPL doprowadziła do utraty aktywności hy-
chinolizydynowe czy intermediaty w biosyntezie lignin [8- drolitycznej na rzecz aktywności transferazowej [17,19]. W
10]. Acylotransferazy z rodziny BAHD są interesujące m.in. odróżnieniu od przedstawionych wyżej acylotransferaz z
z tego powodu, że katalizują biosyntezę leków stosowanych rodziny BAHD, enzymy z rodziny SCPL charakteryzują się
w leczeniu nowotworów złośliwych. Wspomniane tera- obecnością N-końcowego peptydu sygnałowego kierujące-
peutyki, z uwagi na skomplikowaną strukturę chemiczną, go te białka do wakuoli centralnej [20,21].
sÄ… trudne do uzyskania w czystej postaci podczas syntezy
70 www.postepybiochemii.pl
izobutyrylotransferaza z dzikiego pomidora Lycopersicon
Acylotransferazy SCPL funkcjonują w licznych i różno-
pennellii [25,26]. Enzym ten katalizuje jeden z etapów syn-
rodnych szlakach metabolicznych, między innymi w bio-
tezy poliestrów cukrowcowych (acylocukrów), które nadają
syntezie metabolitów wtórnych, koniugacji niektórych hor-
roślinie odporność na pewne owady, np. mszyce [27-29],
monów roślinnych i herbicydów, degradacji białek zapaso-
miniarkę ciepłolubkę [30] i mączliki ostroskrzydłe [31]. Tri-
wych związanej z kiełkowaniem nasion [22-24]. Potwierdza
chomy gruczołowe Lycopersicon pennellii wydzielają dwa
to ich znaczenie dla prawidłowego wzrostu i rozwoju roślin,
rodzaje acylocukrów: acyloglukozę i acylosacharozę. Acy-
odporności na ksenobiotyki, reakcji obronnych w odpowie-
loglukoza jest kompleksem składającym się z trzech reszt
dzi na patogeny, stres oksydacyjny i promieniowanie UV.
O-acylowych i ²-D-glukozy, w którym grupy acylowe
mogą być rozgałęzionymi lub prostymi resztami kwasów
Pierwszym scharakteryzowanym enzymem z grupy
tłuszczowych o zróżnicowanej długości (od 4-5 do 10-12
acylotransferaz SCPL byÅ‚a zależna od 1-O-²-acyloglukozy
atomów węgla) [32,33]. W szlaku biosyntezy
acyloglukozy, kwasy tłuszczowe aktywowane
sÄ… przez glukozylotransferazÄ™ UDP-glukoza :
kwas tłuszczowy, która powoduje powstanie
bogatej w energiÄ™ 1-O-acylo-²-glukozy. SÅ‚u-
ży ona jako donor grupy acylowej w dwueta-
powej reakcji transacylacji. Pierwszy etap to
reakcja dysproporcjonowania dwóch cząste-
czek 1-O-acylo-²-glukozy do 1,2-di-O-acylo-
²-glukozy, z uwolnieniem czÄ…steczki glukozy.
Następnie zachodzi anomeryczna wymiana
grupy acylowej, podczas której reszta acylowa
przy anomerycznym atomie węgla cząstecz-
ki 1-O-acylo-²-glukozy przenoszona jest na
²-glukozÄ™ (Ryc. 1) [25].
Analiza aktywności oczyszczonej izobutyry-
lotransferazy zależnej od 1-O-²-acyloglukozy z
Lycopersicon pennellii pokazała, że enzym ten
katalizuje oba etapy transacylacji (reakcjÄ™ dys-
proporcjonowania oraz anomerycznej wymia-
ny grupy acylowej). Okazało się również, że
acylotransferaza jest glikoproteinÄ… zbudowanÄ…
z dwóch podjednostek: o masie cząsteczkowej
34 kDa i 24 kDa [25]. Identyfikacja cDNA, a na-
stępnie analiza sekwencji reszt aminokwaso-
wych pokazały, że izobutyrylotransferaza z Ly-
copersicon pennellii przejawia homologiÄ™ wzglÄ™-
dem SCP. Sekwencja reszt aminokwasowych
acylotransferazy wykazała 76% podobieństwa
i 35% identyczności względem sekwencji kar-
boksypeptydazy I z jęczmienia [26].
W sekwencji acylotransferazy wykryto rów-
nież obecność charakterystycznej dla SCP za-
chowanej w ewolucji triady katalitycznej (His,
Ser, Asp). Katalityczna reszta seryny zlokalizo-
wana jest w podjednostce izobutyrylotransfe-
razy o masie czÄ…steczkowej 24 kDa, a reszty hi-
stydyny i asparaginianu w podjednostce o ma-
sie cząsteczkowej 34 kDa. Badania z użyciem
diizopropylofluorofosforanu (DFP), silnego in-
hibitora SCP, który działa poprzez wiązanie się
w sposób nieodwracalny z katalityczną seryną
udowodniły, że triada katalityczna His, Ser,
Asp uczestniczy w reakcji transacylacji. Diizo-
propylofluorofosforan w stężeniu 170 źM w
50% hamował aktywność dysproporcjonującą
Rycina 1. Schemat reakcji katalizowanych przez izobutyrylo-
transferazÄ™ (na podstawie [25], zmieniono).
Postępy Biochemii 61 (1) 2015 71
izobutyrylotransferazy, natomiast 1 mM DFP powodował oraz 23% z karboksypeptydazą z pszenicy [22]. Okazało
całkowitą utratę aktywności enzymatycznej [26]. się również, że AtSMT zawiera triadę katalityczną cha-
rakterystyczną dla białek SCP: S173, D358 i H411. Na tej
SYNAPOILOTRANSFERAZY
podstawie zaklasyfikowano ten enzym do rodziny acylo-
transferaz SCPL. Póz
niejsze badania wykazały, że obecność
Najlepiej poznanÄ… grupÄ… acylotransferaz SCPL sÄ… enzy-
wspomnianej triady katalitycznej Ser, His, Asp jest niezbęd-
my odpowiedzialne za syntezę estrów kwasu synapinowe-
na dla aktywności transferazowej AtSMT. Wprowadzenie
go, fenylopropanoidowych metabolitów wtórnych nadają-
mutacji Ser173Ala oraz His411Ala spowodowało całkowitą
cych roślinie odporność na działanie promieni UV [34]. A.
utratę aktywności katalitycznej AtSMT. Natomiast mutacja
thaliana i niektóre inne Brassicaceae akumulują trzy najważ-
Asp358Ala spowodowała spadek aktywności enzymu o
niejsze estry kwasu synapinowego: synapoilocholinÄ™ maga-
80% [19].
zynowaną w nasionach, synapoilo-L-jabłczan akumulowa-
ny w tkankach wegetatywnych oraz 1-O-synapoiloglukozÄ™ Analiza w oparciu o metody immunochemiczne wyka-
będącą bezpośrednim prekursorem tych dwóch związków zała, że w komórkach roślinnych AtSMT jest monomerem
[22]. 1-O-synapoiloglukoza jest wysokoenergetycznym es- o masie cząsteczkowej 55 kDa [21]. Jest to o 8 kDa więcej
trem ²-acetalowym [14], który powstaje w wyniku transfe- niż obliczona na podstawie teoretycznej sekwencji kodujÄ…-
ru cząsteczki glukozy z UDP-glukozy na kwas synapinowy cej masa dojrzałego białka (47,2 kDa) i o 11 kDa więcej niż
katalizowanego przez glukozylotransferazÄ™ UDP-glukoza : wyznaczona masa rekombinowanej SMT produkowanej w
kwas synapinowy (SGT, ang. UDP-glucose: sinapate glucosyl- E. coli (44 kDa) [22]. Różnice w masie cząsteczkowej oraz
transferase) [35,36]. W szlaku biosyntezy estrów kwasu syna- obecność w sekwencji aminokwasowej sześciu potencjal-
pinowego uczestniczą również dwie acylotransferazy: sy- nych miejsc glikozylacji wskazują, że SMT jest glikoprote-
napoilotransferaza synapoiloglukoza : jabłczan (SMT, ang. iną [21,22]. SMT podlega również obróbce proteolitycznej
sinapoylglucose: malate sinapoyltransferase)
i synapoilotransferaza synapoiloglukoza
: cholina (SCT, ang. sinapoylglucose: cho-
line sinapoyltransferase) (Ryc. 2), a także
esteraza synapoilocholiny (SCE, ang. si-
napoylcholine esterase). W nasionach kwas
synapinowy ulega koniugacji z cholinÄ…
za pośrednictwem synapoiloglukozy w
wyniku aktywności SGT i SCT. Podczas
kiełkowania nasion kwas synapinowy
zostaje uwolniony z synapoilocholiny na
drodze hydrolizy katalizowanej przez
SCE. W siewkach wolny kwas synapi-
nowy ponownie ulega koniugacji, tym
razem z L-jabłczanem w wyniku dwóch
następujących po sobie reakcji katalizo-
wanych przez SGT i SMT [35,37]. Wy-
jątek stanowią naturalnie występujący
mutant A. thaliana Pna-10 oraz sztucznie
wytworzony mutant sng1, które nie po-
siadajÄ… genu kodujÄ…cego SMT, w zwiÄ…z-
ku z czym nie wytwarzajÄ… synapoilo-L-
-jabłczanu [38]. Z kolei mutant sng2 nie
posiada genu kodujÄ…cego SCT [39].
Synapoilotransferaza synapoiloglu-
koza : jabłczan (SMT) katalizuje prze-
niesienie reszty kwasu synapinowego
z 1-O-synapoiloglukozy na L-jabłczan
z wytworzeniem synapoilo-L-jabłcza-
nu. Analiza sekwencji SMT z A. thaliana
wykazała 18% identyczności z karbok-
sypeptydazÄ… Y z Saccharomyces cerevisiae
Rycina 2. Schemat syntezy estrów synapinowych z
udziałem specyficznych acylotransferaz zależnych od
1-O-synapoilo-glukozy. SMT  synapoilotransferaza
synapoiloglukoza : jabłczan; SCT  synapoliotransfera-
za synapoiloglukoza : cholina; SAT  synapoilotrans-
feraza synapoiloglukoza: antocyjan; SST  synapoilo-
transferaza synapoiloglukoza : synapoiloglukoza (na
podstawie [18], zmieniono).
72 www.postepybiochemii.pl
polegającej na usunięciu 19-aminokwasowej sekwencji N-
Badania wykazały, że AtSMT jest specyficzna względem
-końcowej. Badania z wykorzystaniem znakowania immu-
L-jabłczanu, ponieważ (S)-2-hydroksymaślan, (R)-3-hy-
nofluorescencyjnego i mikroskopii fluorescencyjnej pozwo-
droksymaślan, glutaran oraz bursztynian, które wykazują
liły ustalić, że dojrzała SMT zlokalizowana jest w centralnej
podobieństwo strukturalne względem L-jabłczanu, nie sta-
wakuoli mezofilu liści i komórek epidermy A. thaliana [21].
nowią alternatywnych substratów dla enzymu. Działają na-
Pozwala to wnioskować, że AtSMT syntetyzowana jest w
tomiast jako inhibitory kompetycyjne hamujÄ…c jego aktyw-
formie białka prekursorowego, które następnie kierowane
ność [41]. (S)-2-hydroksymaślan i (R)-3-hydroksymaślan
jest do siateczki śródplazmatycznej, gdzie usunięty zostaje
hamują aktywność AtSMT o około 12%, natomiast glutaran
N-końcowy peptyd sygnałowy. Z ER białko jest transporto-
o około 15%. Najsilniejszym inhibitorem okazał się bursz-
wane do aparatu Golgiego, gdzie ulega glikozylacji i zostaje
tynian, który hamuje aktywność AtSMT o 21%. Aktywność
przetransportowane do wakuoli.
AtSMT jest również hamowana przez fluorek fenylomety-
Z wykorzystaniem narzędzi bioinformatycznych oraz losulfonylu (PMSF), będący znanym inhibitorem karboksy-
w oparciu o znane struktury krystaliczne białek będących peptydaz serynowych, SCP. Trzydziestominutowa prein-
homologami AtSMT, Stehle i wsp. [19] przedstawili model kubacja AtSMT w obecności 30 mM PMSF powoduje spa-
strukturalny tej acylotransferazy. Na tej podstawie można dek aktywności tej acylotransferazy o 30% [22].
stwierdzić, że w strukturze AtSMT występuje charaktery-
styczne dla aktywności hydrolitycznej SCP pofałdowanie Podstawową aktywnością SMT jest synteza synapoilo-L-
Ä…/², a konformacja enzymu stabilizowana jest przez trzy -jabÅ‚czanu z 1-O-²-synapoiloglukozy i L-jabÅ‚czanu. AtSMT
mostki dwusiarczkowe. Siedem reszt aminokwasowych wykazuje taką aktywność w standardowych warunkach, w
AtSMT odpowiada za rozpoznanie pierwszego substratu pH 6,0. Okazuje się jednak, że zmiana warunków wpływa
- 1-O-synapoiloglukozy. Dla właściwego przebiegu reakcji na specyficzność tego enzymu. W pH 8,0 i przy nieobec-
konieczne jest prawidłowe ustawienie reszty kwasu synapi- ności L-jabłczanu, AtSMT katalizuje tworzenie 1,2-di-O-
nowego, które nastÄ™puje w wyniku oddziaÅ‚ywania z dwie- ²-synapoiloglukozy [19]. SÅ‚absze wiÄ…zanie akceptorowej
ma resztami aminokwasowymi AtSMT: Glu215 i Arg219. 1-O-synapoiloglukozy w porównaniu do L-jabłczanu może
Glutaminian 215 tworzy wiązanie wodorowe z hydroksy- wyjaśniać, dlaczego w warunkach in vitro aktywność dys-
lem węgla C4 pierścienia aromatycznego substratu, nato- proporcjonująca AtSMT względem 1-O-synapoiloglukozy
miast Arg219 tworzy wiązanie wodorowe z tą samą gru- jest wykrywalna jedynie pod nieobecność L-jabłczanu - At-
pą oraz z sąsiadującą grupą metylową. W wiązaniu reszty SMT w czasie wiązania L-jabłczanu tworzy z nim pięć wią-
glukozy cząsteczki substratu uczestniczą inne aminokwasy: zań wodorowych, natomiast z 1-O-synapoiloglukozą tylko
Trp71, Asn73, Gly74, Glu87, Asp172. dwa.
Drugi substrat, L-jabłczan, jest również rozpoznawany W normalnych warunkach AtSMT wykazuje również
przez wytworzenie wiÄ…zaÅ„ wodorowych z odpowiednimi niewielkÄ… aktywność hydrolitycznÄ… wzglÄ™dem 1-O-²-
resztami aminokwasów. Uprotonowana grupa karboksylo- synapoiloglukozy, co prowadzi do uwolnienia cząsteczki
wa L-jabłczanu oddziałuje z łańcuchami bocznymi Asn73 glukozy i kwasu synapinowego. Aktywność hydrolitycz-
i Asp172. Ponadto, w rozpoznawaniu L-jabłczanu praw- na enzymu rośnie przy wzroście pH (pH 8,0) i przy braku
dopodobnie uczestniczą również His272, Lys268 i Asp278, L-jabłczanu. W tym samym pH AtSMT wykazuje jedynie
ponieważ ich podstawienie innym aminokwasem powodu- śladową aktywność acylotransferazową względem L-jabł-
je znaczny spadek aktywności enzymatycznej AtSMT. Bar- czanu. Specyficzność AtSMT wobec L-jabłczanu jest więc
dzo ważną funkcję pełni też Arg322, czego dowodem jest największa w pH 6,0, co pokrywa się z warunkami panują-
prawie całkowity brak aktywności acylotransferazy AtSMT cymi w wakuoli, w której zlokalizowana jest AtSMT. Różne
niosącej mutację Arg322Glu. Arg322 oddziałuje zarówno z aktywności enzymatyczne AtSMT sugerują, że enzym ten w
resztÄ… glukozowÄ… 1-O-synapoiloglukozy jak i z grupÄ… kar- dalszym ciÄ…gu ulega zmianom ewolucyjnym i nie wykazuje
boksylową L-jabłczanu. Odłączenie glukozy od centrum jednoznacznej specyficzności substratowej, a także nie utra-
aktywnego, zawierającego Arg322 wywołuje zmianę kon- cił do końca właściwości hydrolitycznych [42].
formacyjną, co powoduje ustawienie L-jabłczanu w sposób
umożliwiający katalitycznej His411 przyłączenie protonu z Drugim, dobrze poznanym enzymem uczestniczącym
grupy hydroksylowej substratu, a także atak L-jabłczanu na w syntezie estrów kwasu synapinowego jest synapoilo-
kompleks acyloenzymatyczny, co powoduje wytworzenie transferaza synapoiloglukoza : cholina (SCT) katalizujÄ…ca
produktu reakcji: synapoilo-L-jabłczanu [19]. przeniesienie reszty kwasu synapinowego z 1-O-synapo-
iloglukozy na cholinÄ™ z wytworzeniem synapoilocholiny.
Karboksypeptydazy serynowe, SCP zawierajÄ… charak- Analiza sekwencji SCT z A. thaliana (AtSCT) [39] i Brassica
terystyczny motyw otaczający katalityczną resztę seryny: napus (BnSCT) [43] wykazała, że enzym ten należy do rodzi-
Gly-Glu-Ser-Tyr-Ala [40]. Synapoilotransferazy zawiera- ny acylotransferaz SCPL i zawiera zachowanÄ… w ewolucji
ją podobny motyw, jednakże Glu został zastąpiony przez triadę katalityczną charakterystyczną dla SCP (S178, D388,
Asp, a Ala przez Ser (Gly-Asp-Ser-Tyr-Ser). Substytucja Glu H442 w AtSCT i S175, D390, H444 w BnSCT) [19,39]. Se-
przez Asp najpewniej umożliwiła acylotransferazom SCPL kwencje aminokwasowe AtSCT i BnSCT wykazują wzglę-
wykorzystanie estrów 1-O-glukozy jako substratów, jako że dem siebie 84% identyczności [43].
dłuższy łańcuch boczny glutaminianu powoduje powstanie
zawady sterycznej uniemożliwiającej związanie acyloglu- Analiza AtSCT za pomocą metod immunochemicznych
kozy [19]. wykazała, że dojrzałe białko jest heterodimerem zbudowa-
Postępy Biochemii 61 (1) 2015 73
Rycina 3. Reakcja enzymatycznej syntezy indolilo-3-acetylo-myo-inozytolu.
nym z podjednostek o masie czÄ…steczkowej 30 kDa i 17 kDa, talizuje przeniesienie grupy acylowej z 1-O-synapoiloglu-
które powstają w wyniku proteolitycznego rozszczepienia kozy na drugą cząsteczkę 1-O-synapoiloglukozy z wytwo-
białka prekursorowego o masie 50 kDa [44]. Szacowana rzeniem 1,2-di-synapoiloglukozy (Ryc. 2) [45,46].
masa cząsteczkowa BnSCT również wynosi 50 kDa, a w se-
kwencji aminokwasowej acylotransferazy wykryto peptyd, Produktem kolejnego z tych genów jest synapoilotrans-
który zostaje wycięty w trakcie dojrzewania białka. Ozna- feraza synapoiloglukoza : antocyjan (SAT, ang. sinapoylglu-
cza to, że dojrzała forma BnSCT także jest heterodimerem cose: anthocyanin sinapoyltransferase), która uczestniczy w
[43]. Oba enzymy posiadają N-końcową sekwencję sygnało- acylacji antocyjanów, co w istotny sposób wpływa na ich
wą kierującą do siateczki śródplazmatycznej, która zostaje właściwości biologiczne [46,47]. Za ten typ modyfikacji od-
usunięta w czasie obróbki proteolitycznej oraz potencjalne powiadają przede wszystkim acylotransferazy z rodziny
miejsca glikozylacji, co pokazuje, że podobnie jak SMT są BAHD, jednakże zidentyfikowano również acylotransfera-
one glikoproteinami [43,44]. zy SCPL uczestniczące w acylacji antocyjanów [48,49], do
których należy też AtSAT katalizująca powstanie pochodnej
AtSCT charakteryzuje się szeroką specyficznością sub- cyjanidyny (Ryc. 2).
stratową względem donora grupy acylowej i może wyko-
rzystywać różne estry hydroksycynamoiloglukozy (gluko- INDOLILOACETYLOTRANSFERAZY
zydy kwasu ferulowego, kawowego oraz p-kumarowego)
jako alternatywne substraty. Mimo że enzym wykazywał Jednym z procesów odpowiedzialnych za regulację stę-
wyraz
ną specyficzność względem choliny jako akceptora żenia wolnego IAA (kwas indolilo-3-octowy), który jest ak-
reszty kwasu synapinowego, może także wykorzystywać tywną biologicznie formą auksyny w komórce roślinnej, jest
alternatywne akceptory grupy acylowej (pochodne etano- jego koniugacja z różnymi cząsteczkami za pośrednictwem
loaminy, neopentanol, glicerol), jeżeli występują w odpo- wiązań amidowych lub estrowych. [50]. Koniugaty IAA
wiednio wysokim stężeniu [44]. Podobnie jak w przypadku pełnią funkcję magazynu auksyny, stanowią jej formę trans-
AtSMT, PMSF działa hamująco na aktywność AtSCT, pro- portową oraz, w niektórych przypadkach, są intermediata-
wadząc do 25% spadku aktywności enzymatycznej [39]. mi procesów oksydacyjnej degradacji IAA. Przyczyniają się
w ten sposób do regulacji poziomu IAA w poszczególnych
Analiza struktury przestrzennej SCT z rzepaku wykaza- tkankach i zapewniajÄ… zachowanie hormonalnej homeosta-
ła, że podobnie jak w przypadku AtSMT, białko enzyma- zy koniecznej dla prawidłowego rozwoju rośliny [51].
tyczne charakteryzuje się występowaniem pofałdowania
Ä…/² i jest stabilizowane przez trzy mostki dwusiarczkowe. DominujÄ…cÄ… formÄ™ zwiÄ…zanej auksyny u roÅ›lin jednoli-
Rozpoznanie 1-O-synapoiloglukozy zachodzi z udziałem ściennych stanowią koniugaty estrowe syntetyzowane z
reszt Glu217 (Glu220 w AtSCT) i Arg221 (224 w AtSCT), udziałem acylotransferaz [52]. Szlak biosyntezy koniuga-
które tworzą wiązania wodorowe z resztą kwasu synapi- tów estrowych rozpoczyna synteza 1-O-indolilo-3-acetylo-
nowego oraz Thr74 (77 w AtSCT), Asp174 (177 w AtSCT) i ²-D-glukozy (1-O-IAGlc) katalizowana przez glukozylo-
Ser320 (319 w AtSCT), które tworzą wiązania wodorowe z transferazę UDP-glukoza : IAA [15,53]. Następnie, acylo-
resztÄ… glukozy w czÄ…steczce substratu. Z kolei cholina jest transferaza 1-O-IAGlc : myo-inozytol katalizuje przeniesie-
rozpoznawana przez Glu274 (277 w AtSCT), Glu447 (445 nie reszty IAA z 1-O-IAGlc na myo-inozytol, co prowadzi
w AtSCT), Cys281 (284 w AtSCT) i Thr445 (443 w AtSCT). do powstania IA-myo-inozytolu (IAInos) [54,55] (Ryc. 3).
Po rozcięciu wiązania estrowego w 1-O-synapoiloglukozie Analiza częściowej sekwencji aminokwasowej oczyszczonej
i uwolnieniu glukozy z miejsca aktywnego, reszta Asp174 acylotransferazy 1-O-IAGlc : myo-inozytol z kukurydzy wy-
(Asp177 w AtSCT) wymusza ustawienie się choliny na jej kazała homologię z acylotransferazami z rodziny SCPL [56].
miejsce, co umożliwia powstanie synapoiloglukozy [19]. W wyniku oczyszczania acylotransferazy uzyskano dwa
peptydy: Ä… i Ä… o masie czÄ…steczkowej odpowiednio 56,4
Poza opisanymi wyżej enzymami, znane są także inne kDa oraz 53,5 kDa. Ponieważ peptydy te nie różnią się mię-
synapoilotransferazy. Chromosom 2 A. thaliana zawiera dzy sobą sekwencją, różnica w ich masie zapewne wynika
pięć ułożonych tandemowo genów SCPL, które kodują biał- z różnego stopnia glikozylacji białka. Natywny enzym jest
ka wykazujące względem siebie bardzo wysoki stopień po- monomerem (56,4 kDa) lub dimerem (ąą lub ąą ). Podob-
dobieństwa: identyczność sekwencji dwóch białek wynosi nie jak AtSMT, acylotransferaza 1-O-IAGlc : myo-inozytol,
od 71 do 78% [20,46]. Jeden z tych genów koduje synapoilo- również zachowała aktywność hydrolityczną i jest w stanie
transferazę synapoiloglukoza : synapoiloglukoza (SST, ang. katalizować hydrolizę IAInos z uwolnieniem IAA. Ponadto,
sinapoylglucose: sinapoylglucose sinapoyltransferase), która ka- enzym ten katalizuje przeniesienie IAA z IAInos na niektó-
74 www.postepybiochemii.pl
re monosacharydy: glukozÄ™ i mannozÄ™ oraz, w mniejszym
stopniu, na galaktozÄ™ i arabinozÄ™.
IAA z 1-O-IAGlc może być przenoszony nie tylko na
myo-inozytol, ale również na niektóre cukry. Reakcja ta jest
katalizowana przez indoliloacetylotransferazÄ™ 1-O-IAGlc
: cukier (1-O-IAGlc-SugAc, ang. 1-O-(indole-3-acetyl)-²-D-
glucose: sugar indoleacetyl transferase) [57]. Enzym ten wy-
kazuje najwyższą aktywność względem monosacharydów
(mannozy, glukozy i galaktozy), niższą dla disacharydów
(celobiozy i gentobiozy) i trisacharydów (rafinozy) oraz
śladową aktywność w stosunku do oligosacharydów. 1-O-
-IAGlc-SugAc, poza aktywnością transferazową, wykazuje
również niewielką aktywność hydrolityczną oraz dyspro-
porcjonującą względem 1-O-IAGlc, które prowadzą do po-
wstania odpowiednio: wolnego IAA oraz 1,2-di-O-indolilo-
3-acetylo-²-D-glukozy. Jak dotÄ…d, nie wykonano analizy
sekwencji aminokwasowej 1-O-IAGlc-SugAc, jednakże cha-
rakter katalizowanych przez nią reakcji wskazuje, że enzym
ten najprawdopodobniej jest przedstawicielem rodziny acy-
lotransferaz SCPL.
MECHANIZM KATALITYCZNY
ACYLOTRANSFERAZ SCPL
Acylotransferazy SCPL, podobnie jak karboksypepty-
dazy serynowe SCP posiadają, jak wcześniej wspomniano,
zachowanÄ… w ewolucji triadÄ™ katalitycznÄ… (Ser, His, Asp)
oraz charakterystyczne dla aktywności hydrolitycznej po-
faÅ‚dowanie Ä…/² [18,19]. Mimo to, biaÅ‚ka SCPL nie wykazujÄ…
aktywności hydrolitycznej względem peptydów, lecz kata-
lizujÄ… reakcje transacylacji.
Hydroliza wiÄ…zania peptydowego katalizowana przez
SCP zachodzi według mechanizmu podwójnego przenie-
sienia (jeden lub więcej produktów uwalnianych jest przed
związaniem wszystkich substratów) [5]. Reakcję rozpoczy-
na nukleofilowy atak katalitycznej seryny na karbonylowy
węgiel rozcinanego wiązania. Proton z grupy hydroksylo-
wej katalitycznej reszty seryny zostaje przeniesiony na hi-
stydynÄ™, w wyniku czego wytworzony zostaje dodatni Å‚a-
Rycina 4. Zarys mechanizmu reakcji katalizowanej przez synapoilotransferazÄ™
dunek stabilizowany przez katalitycznÄ… resztÄ™ asparaginia-
synapoiloglukoza: cholina (SCT). A) W centrum aktywnym AtSCT wiąże się
nu. Proton jest następnie przenoszony na azot w wiązaniu pierwszy substrat: synapoiloglukoza. Katalityczna reszta seryny (Ser178) AtSCT
przeprowadza atak nukleofilowy na czÄ…steczkÄ™ substratu, co prowadzi do rozciÄ™-
peptydowym, co powoduje rozcięcie tego wiązania. N-koń-
cia wiÄ…zania estrowego i uwolnienia glukozy. B) Powstaje intermediat: acylowa-
cowa część białka jest połączona wiązaniem estrowym z
ny enzym. Wytworzone w ten sposób wiązanie estrowe zostaje rozcięte w wyni-
ku ataku choliny, na którą przeniesiona zostaje grupa acylowa. C) Prowadzi to do
resztÄ… seryny tworzÄ…c kowalencyjny intermediat, natomiast
uwolnienia czÄ…steczki produktu: synapoilocholiny (na podstawie [5], zmieniono).
C-koniec zostaje uwolniony. Następnie acylowany interme-
diat zostaje zhydrolizowany przy udziale czÄ…steczki wody,
substratem zostaje rozcięte w wyniku ataku drugiego sub-
a katalityczna reszta seryny ulega regeneracji w wyniku
stratu, na który przeniesiona zostaje grupa acylowa [17].
przyłączenia protonu.
Analiza kinetyczna rekombinowanej SCT z A. thaliana
Mechanizm reakcji katalizowanej przez SCPL nie jest w pokazała, że kataliza z udziałem tego enzymu rzeczywi-
pełni poznany. Ze względu na podobieństwo triady kata- ście zachodzi według mechanizmu działania SCP (Ryc.
litycznej SCPL i SCP uważano, że przypomina on mecha- 4A,B,C) [44]. Jednakże podobne badania wykonane dla re-
nizm hydrolizy wiązania peptydowego z tą różnicą, że w kombinowanej SMT z A. thaliana wskazują, że enzym ten
przypadku reakcji transacylacji wodę zastępuje drugi sub- działa według odmiennego mechanizmu i katalizuje reak-
strat, akceptor grupy acylowej. Katalityczna reszta seryny cjÄ™ przeniesienia grupy acylowej zgodnie z przypadkowym
acylotransferazy posiadająca silnie nukleofilowy charakter mechanizmem sekwencyjnym: oba substraty muszą być
atakuje węgiel grupy karbonylowej substratu estrowego, w związane w centrum aktywnym przed rozpoczęciem re-
efekcie czego powstaje intermediat: acylowany enzym. Na- akcji, ale kolejność ich wiązania jest przypadkowa (Ryc. 5)
stępnie, wiązanie estrowe wytworzone między enzymem a [19]. Reakcję transacylacji katalizowaną przez AtSMT roz-
poczyna związanie obu substratów w miejscu aktywnym
Postępy Biochemii 61 (1) 2015 75
Rycina 5. Zarys mechanizmu reakcji katalizowanej przez synapoilotransferazę synapoiloglukoza: jabłczan (SMT). A) W centrum aktywnym AtSMT wiążą się oba substra-
ty reakcji: synapoiloglukoza oraz L-jabłczan. B) Katalityczna reszta seryny (Ser173) AtSMT atakuje cząsteczkę synapoiloglukozy, co prowadzi do powstania intermediatu:
acylowanego enzymu oraz uwolnienia cząsteczki glukozy. C) L-jabłczan atakuje acylowany enzym, w wyniku czego powstaje synapoilojabłczan, który następnie opusz-
cza centrum aktywne AtSMT (na podstawie [18], zmieniono).
enzymu (Ryc. 5A). Katalityczna Ser173 atakuje czÄ…steczkÄ™ PIÅšMIENNICTWO
1-O-²-synapoiloglukozy bÄ™dÄ…cÄ… donorem grupy acylowej.
1. Hartmann T (2007) From waste products to ecochemicals: Fifty years
research of plant secondary metabolism. Phytochem 68: 2831-2846
W wyniku odcięcia cząsteczki glukozy tworzy się interme-
diat: acylowany enzym (Ryc. 5B). CzÄ…steczka akceptorowa 2. Mugford ST, Milkowski C (2012) Serine carboxypeptidase-like acyl-
transferases from plants. Method Enzymol 516: 279-297
(L-jabłczan) zostaje zaktywowana przez katalityczną resztę
histydyny i atakuje acylowany enzym. Ostatecznie, synapo- 3. Yu X-H, Gou J-Y, Liu C-J (2009) BAHD superfamily of acyl-CoA de-
pendent acyltransferases in Populus and Arabidopsis: bioinformatics
ilo-L-jabłczan i glukoza opuszczają centrum aktywne enzy-
and gene expression. Plant Mol Biol 70: 421-442
mu (Ryc. 5C) [19].
4. D auria JC (2006) Acyltransferases in plants: a good time to be BAHD.
Curr Opin Plant Biol 9: 331-340
PODSUMOWANIE
5. Schaller A (2004) A cut above the rest: the regulatory function of plant
proteases. Planta 220: 183-197
Acylotransferazy SCPL stanowią nową i słabo poznaną
6. Ma X, Koepke J, Panjikar S, Fritzsch G, Stockigt J (2005) Crystal struc-
rodzinę acylotransferaz roślinnych, pełniącą istotną rolę w
ture of vinorine synthase, the first representative of the BAHD super-
szlakach metabolizmu wtórnego. Badania filogenetyczne
family. J Biol Chem 280: 13576-13583
sugerują, że zarówno u roślin jednoliściennych, jak i dwu-
7. Grothe T, Lenz R, Kutchan TM (2001) Molecular characterization of
liściennych występuje wiele enzymów należących do tej
the salutaridinol 7-O-acetyltransferase involved in morphine biosyn-
rodziny [58]. Podobieństwo sekwencji oraz struktury wska-
thesis in opium poppy Papaver somniferum. J Biol Chem 276: 30717-
zuje, że acylotransferazy SCPL wywodzą się od hydrolaz z 30723
rodziny karboksypeptydaz serynowych. Acylotransferazy
8. Boatright J, Negre F, Chen XL, Kish CM, Wood B, Peel G, Orlova I,
SCPL stanowią więc interesujący obiekt badań nad meta- Gang D, Rhodes D, Dudareva N (2004) Understanding in vivo ben-
zoid metabolism in Petunia petal tissue. Plant Physiol 135: 1993-2011
bolizmem wtórnym roślin oraz mechanizmem ewolucji
9. Okada T, Hirai MY, Suzuki H, Yamazaki M, Salto K (2005) Molecu-
uczestniczących w nim enzymów.
lar characterization of a novel quinolizidine alkaloid O-tigloyltrans-
76 www.postepybiochemii.pl
ferase: cDNA cloning, catalytic activity of recombinant protein and 29. Rodriguez AE, Tigey WM, Mutschler MA (1993) Acylsugars of Lyco-
expression analysis in Lupinus plants. Plant Cell Physiol 46: 233-244 persicon pennellii deter settling and feeding of the green peach aphid
Homoptera aphididae. J Econ Entomol 86: 34-39
10. Hoffmann L, Besseau S, Geoffroy P, Ritzenthaler C, Meyer D, Lapi-
erre C, Pollet B, Legrand M (2005) Acyltransferases-catalysed p- 30. Hawthorne DJ, Shapiro JA, Tingey WM, Mutschler MA (1992) Tri-
coumarate ester formation is a committed step of lignin biosynthesis. chome-borne and artificially applied acylsugars of wild tomato deter
Plant Biosyst 139: 50-53 feeding and oviposition of the leafminer Liriomyza trifolii. Entomol
Exp Appl 65: 65-73
11. Long RM, Lagisetti C, Coates RM, Croteau RB (2008) Specificity of the
N-benzoyl transferase responsible for the last step of Taxol biosynthe- 31. Liedl BE, Lawson DM, White KK, Shapiro JA, Cohen DE, Carson WG,
sis. Arch Biochem Biophys 477: 384-389 Trumble JT, Mutschler MA (1995) Acylsugars of wild tomato Lycoper-
sicon pennellii alters settling and reduces oviposition of Bemisia argenti-
12. Walker K, Long R, Croteau R (2002) The final acylation step in Taxol
folii (Homoptera: Aleyroididae). J Econ Entomol 88: 742-748
biosynthesis: cloning of the taxoid C13-side-chain N-benzoyltransfer-
ase from Taxus. Proc Natl Acad Sci USA 99: 9166-9171 32. Burke BA, Goldsby G, Mudd JB (1987) Polar epicuticular lipids of Ly-
copersicon pennellii. Phytochem 26: 2567-2571
13. St Pierre B, De Luca V (2000) Evolution of acyltransferases genes: ori-
gin and diversification of the BAHD superfamily of acyltransferases 33. Walters DS, Steffens JC (1990) Branched chain amino acid metabo-
involved in secondary metabolism. W: Romeo JT, Ibrahim R, Varin L, lism in the biosynthesis of Lycopersicon pennellii glucose esters. Plant
De Luca V (red) Evolution of Metabolic Pathways, Rec Adv Phyto- Physiol 93: 1544-1551
chem Vol 34, Elsevier, str. 285-315
34. Landry LG, Chapple CCS, Last RL (1995) Arabidopsis mutants lack-
14. Mock HP, Strack D (1993) Energetics of the uridine 5 -diphosphoglu- ing phenolic sunscreens exhibit enhanced ultraviolet-B injury and
cose: hydroxycinnamic acid acyl-glucosyltransferase reaction. Phyto- oxidative damage. Plant Physiol 109: 1159-1166
chem 32: 575-579
35. Milkowski C, Baumert A, Strack D (2000) Cloning and heterologous
15. Lez
nicki AJ, Bandurski RS (1988) Enzymic synthesis of indole-3-ace- expression of rape cDNA encoding UDP-glucose:sinapate glucosyl-
tyl-1-O- ²-D-glucose. I. Partial purification and characterization of the transferase. Planta 211: 883-886
enzyme from Zea mays. Plant Physiol 88: 1474-1480
36. Wang SX, Ellis BE (1998) Enzymology of UDP-glucose: sinapic acid
16. Ostrowski M, Jakubowska A (2013) UDP-glikozylotransferazy hor- glucosyltransferase from Brassica napus. Phytochem 49: 307-318
monów roślinnych. Post Biol Kom 40: 141-160
37. Milkowski C, Strack D (2010) Sinapate esters in brassicaceous plants:
17. Milkowski C, Strack D (2004) Serine carboxypepidase-like acyltrans- biochemistry, molecular biology, evolution and metabolic engineer-
ferases. Phytochem 65: 517-524 ing. Planta 232: 19-35
18. Stehle F, Brandt W, Stubbs MT, Milkowski C, Strack D (2009) Sinapo- 38. Li X, Bergelson J, Chapple C (2010) The ARABIDOPSIS accession Pna-
yltransferases in the light of molecular evolution. Phytochem 70: 10 is a naturally occurring sng1 deletion mutant. Mol Plant 3: 91-100
1652-1662
39. Shirley AM, McMichael CM, Chapple C (2001) The sng2 mutant of
19. Stehle F, Brandt W, Milkowski C, Strack D (2006) Structure deter- Arabidopsis is defective in the gene encoding the serine carboxypepti-
minants and substrate recognition of serine carboxypeptidase-like dase-like protein sinapoylglucose:choline sinapoyltransferase. Plant
acyltransferases from plant secondary metabolism. FEBS Lett 580: J 28: 83-94
6366-6374
40. Derewenda U, Brzozowski AM, Lawson DM, Derewenda ZS (1992)
20. Fraser CM, Rider LW, Chapple C (2005) An expression and bioinfor- Catalysis at the interface: the anatomy of the conformational change
matics analysis of the Arabidopsis serine carboxypeptidase-like gene in a triglyceride lipase. Biochemistry 31: 1532-1541
family. Plant Physiol 138: 1136-1148
41. Stehle F, Stubbs MT, Strack D, Milkowski C (2008) Heterologous ex-
21. Hause B, Meyer K, Viitanen PV, Chapple C, Strack D (2002) Immu- pression of a serine carboxypeptidase-like acyltransferase and charac-
nolocalization of 1-O-sinapoylglucose:malate sinapoyltransferase in terization of the kinetic mechanism. FEBS J 275: 775-787
Arabidopsis thaliana. Planta 215: 26-32
42. Stehle F, Brandt W, Schmidt J, Milkowski C, Strack D (2008) Activi-
22. Lehfeldt C, Shirley AM, Meyer K, Ruegger MO, Cusumano JC, Vii- ties of Arabidopsis sinapoylglucose: malate sinapoyltransferase shed
tanen PV, Strack D, Chapple C (2000) Cloning of the SNG1 gene of light on functional diversification of serine carboxypeptidase-like ac-
Arabidopsis reveals a role for a serine carboxypeptidase-like protein yltransferases. Phytochem 69: 1826-1831
as an acyltransferase in secondary metabolism. Plant Cell 12: 1295-
43. Milkowski C, Baumert A, Schmidt D, Nehlin L, Strack D (2004) Mo-
1306
lecular regulation of sinapate ester metabolism in Brassica napus: ex-
23. Liu H, Wang X, Zhang H, Yang Y, Ge X, Song F (2008) A rice serine- pression of genes, properties of the encoded proteins and correlation
carboxypeptidase-like gene OsBISCPL1 is involved in regulation of of enzyme activities with metabolite accumulation. Plant J 38: 80-92
defense responses against biotic and oxidative stress. Gene 420: 57-65
44. Shirley AM, Chapple C (2003) Biochemical characterization of
24. Mugford ST, Qi X, Bakht S, Hill L, Wegel E, Hughes RK, Papadopou- sinapoylglucose:choline sinapoyltransferase, a serine carboxypepti-
lou K, Melton R, Philo M, Sainsbury F, Lomonossoff GP, Roy AD, dase-like protein that functions as an acyltransferase in plant second-
Goss RJM, Osbourn A (2009) A serine carboxypeptidase-like acyl- ary metabolism. J Biol Chem 278: 19870-19877
transferase is required for synthesis of antimicrobial compounds and
45. Baumert A, Milkowski C, Schmidt J, Nimtz M, Wray V, Strack D
disease resistance in oats. Plant Cell 21: 2473-2484
(2005) Formation of a complex pattern of sinapate esters in Brassica
25. Li AX, Eannetta N, Ghangas GS, Steffens JC (1999) Glucose polyester napus seeds, catalyzed by enzyme of a serie carboxypeptidase-like ac-
biosynthesis. Purification and characterization of a glucose acyltrans- yltransferases family? Phytochem 66: 1334-1345
ferase. Plant Physiol 121: 453-460
46. Fraser CM, Thompson MG, Shirley AM, Ralph J, Schoenherr JA, Sin-
26. Li AX, Steffens JC (2000) An acyltransferase catalyzing the formation lapadech T, Hall MC, Chapple C (2007) Realated Arabidopsis serine
of diacylglucose is a serine carboxypeptidase-like protein. Proc Natl carboxypeptidase-like sinapoylglucose acyltransferases display dis-
Acad Sci USA 97: 6902-6907 tinct but overlapping substrate specificities. Plant Physiol 144: 1986-
1999
27. Goffreda JC, Mutschler MA (1999) Inheritance of potato aphid resis-
tance in hybrid between Lycopersicon esculentum and Lycopersicon pen- 47. Yoshimoto M, Okuno S, Yamaguchi M, Yamakawa O (2001) Antimu-
nellii. Theor Appl Genet 78: 210-216 tagenicity of deacylated anthocyanins in purple-fleshed sweet potato.
Biosci Biotechnol Biochem 65: 1652-1655
28. Goffreda JC, Mutschler MA, Tingey WM (1988) Feeding behavior of
potato aphid affected by glandular trichomes of wild tomato. Ento- 48. Miyahara T, Sakiyama R, Ozeki Y, Sasaki N (2013) Acyl-glucose-de-
mol Exp Appl 48: 101-108 pendent glucosyltransferase catalyses the final step of anthocyanin
formation in Arabidopsis. J Plant Physiol 170: 619-624
Postępy Biochemii 61 (1) 2015 77
49. Nakayama T, Suzuki H, Nishino T (2003) Anthocyanin acyltransfer- 54. Kęsy JM, Bandurski RS (1990) Partial purification and characteriza-
ases: specificities, mechanism, phylogenetics, and applications. J Mol tion of indol-3-ylacetylglucose:myo-inositol indol-3-ylacetyltransfer-
Catal 23b: 117-132 ase (indoleacetic acid-inositol synthase). Plant Physiol 94: 1598-1604
50. Ludwig-Müller J (2011) Auxin conjugates: their role for plant devel- 55. Michalczuk L, Bandurski RS (1982) Enzymic synthesis of 1-O-indol-
opment and in the evolution of land plants. J Exp Bot 62: 1757-1773 3-ylacetyl-²-glucose and 1-O-indol-3-ylacetyl-myo-inositol. Biochem J
207: 273-281
51. Kai K., Wakasa K, Miyagawa H (2007) Metabolism of indole-
3-acetic acid in rice: identification and characterization of N-²-D- 56. Kowalczyk S, Jakubowska A, ZieliÅ„ska E, Bandurski RS (2003) Bi-
glucopyranosyl indole-3-acetic acid and its conjugates. Phytochem functional indole-3-acetyl transferase catalyses synthesis and hydro-
68: 2512-2522 lysis of indole-3-acetyl-myo-inositol in immature endosperm of Zea
mays. Physiol Plant 119: 165-174
52. Jakubowska A, Kowalczyk S (2004) The auxin conjugate 1-O-indole-
3-acetyl-²-D-glucose is synthesized in immature legume seeds by 57. StarzyÅ„ska E, Kowalczyk S (2012) Novel 1-O-indole-3-acetyl-²-D-
IAGlc synthase and may be used for modification of some high mo- glucose-dependent acyltransferase transferring indoleacetyl moiety
lecular weight compounds. J Exp Bot 55: 791 801 to some mono- di- and oligosaccharides. Acta Physiol Plant 34: 53-63
53. Michalczuk L, Bandurski RS (1980) UDP-glucose: indoleacetic acid 58. Mugford ST, Osbourn A (2010) Evolution of serine carboxypeptidase-
glucosyl transferase and indoleacetyl-glucose: myo-inositol indoleac- like acyltransferases in the monocots. Plant Signal Behav 5: 193-195
etyl transferase. Biochem Biophys Res Commun 93: 588-592
Acyltransferases involved in plant secondary metabolism:
classification, structure, reaction mechanism
Anna Ciarkowska*ð, Maciej Ostrowski, Anna Jakubowska
Department of Biochemistry, Nicolaus Copernicus University, 1 Lwowska St., 87-100 Toruń, Poland
*ð
e-mail: [e-mail]
Key words: serine carboxypeptidases, BAHD acyltransferases, SCPL acyltransferases, secondary metabolism
ABSTRACT
Acyltransferases participate in many metabolic pathways in plants, especially in secondary metabolism pathways. These enzymes catalyse
transfer of an acyl group from energy-rich donor molecule to nucleophilic group of an acceptor molecule resulting in ester bond formation.
Plant acyltransferases can be divided into two families: serine carboxypeptidase-like acyltransferases (SCPL) and BAHD acyltransferases
(named after its first four characterized enzymes). Based on differences in substrate specificity and aminoacid sequence, BAHD acyltransferas-
es have been classified into five clades. SCPL acyltransferases utilise energy-rich 1-O-²-D-glucose esters as donors of an acyl group, instead of
coenzyme A thioesters, which are substrates for acyltransferases from more abundant BAHD family. SCPL acyltransferases are homologous to
hydrolases from serine carboxypeptidases family. They share some structural elements, such as conserved catalitic triad or Ä…/² hydrolase fold.
78 www.postepybiochemii.pl