Das Enzym alpha-Dioxygenase (alpha-DOX) aus Erbsen (Pisum sativum) wurde mit folgenden Zielsetzungen untersucht: Isolierung und Charakterisierung der für die P. sativum alpha-DOX codierenden cDNA, Überproduktion der P. sativum alpha-DOX in Escherichia coli und nachfolgende Isolierung, Untersuchung der Interaktion der P. sativum alpha-DOX mit Fettsäuresubstraten sowie systematische Studie der Expression der P. sativum alpha-DOX während der Keimung und Entwicklung von Erbsenpflanzen. alpha-Dioxygenasen katalysieren in Pflanzen den Initialschritt der alpha-Oxidation von langkettigen Fettsäuren, die über die intermediäre Bildung von (R)-2-Hydroperoxyfettsäuren führt. Folgeprodukte dieser Reaktion sind die entsprechende (R)-2-Hydroxysäure sowie der um ein C-Atom kettenverkürzte Aldehyd. Es wurde die für die alpha-Dioxygenase aus Erbsen codierende cDNA mit einer Gesamtlänge von 2132 bp isoliert, die ein offenes Leseraster von 1929 bp beinhaltet. Sie codiert für ein Protein mit 643 Aminosäuren und einem errechneten Molekulargewicht von ca. 73 kD. Die Pisum sativum alpha-Dioxygenase wurde in E. coli als Fusionsprotein mit einem 6 x His-tag überproduziert und mittels Metallaffinitätschromatographie an Ni-NTA-Agarose isoliert. Studien zur Interaktion der P. sativum alpha-Dioxygenase mit Fettsäuresubstraten umfassten sowohl Versuche zu Anforderungen auf Seiten des Substrats als auch zu potentiellen Interaktionspartnern auf Seiten des Enzym. Es wurde gezeigt, dass für die Reaktion von alpha-Dioxygenasen mit Fettsäuren die freie Carboxylgruppe des Substrats unerlässlich ist. Aufgrund eines Aminosäuresequenzvergleichs zwischen der alpha-Dioxygenase aus Erbsen und PGHS-1 aus O. aries wurden vier Aminosäuren als potentielle Interaktionspartner auf Seiten der alpha-Dioxygenase aus Erbsen ausgewählt. Es handelte sich um die Arginin-Reste Arg-87, Arg-391, Arg-569 und Arg-570. Mit Hilfe der ortsspezifischen Mutagenese wurde gezeigt, dass der Aminosäurerest Arg-570 für die katalytische Aktivität unerlässlich ist. Die Expression der P. sativum alpha-Dioxygenase in keimenden Erbsen und jungen Erbsenpflanzen wurde sowohl in ihrem zeitlichen Verlauf als auch hinsichtlich der Gewebespezifität betrachtet. Die Ergebnisse zeigten, dass Keimung zu einer deutlichen Akkumulation von alpha-Dioxygenase mRNA in Erbsen führte. Auch alpha-Dioxygenase Protein war in großer Menge in keimenden und jungen Erbsenpflanzen vorhanden. Ausgeprägte Gewebespezifität war festzustellen: alpha-DOX mRNA fand sich fast ausschließlich in Wurzeln von Erbsenpflanzen, in Sprossgewebe dagegen war sie kaum vorhanden. Im Gegensatz dazu lag alpha-DOX Protein gleichermaßen in Spross- und in Wurzelgewebe vor. Parallel zur Reifung der Pflanzen nahm die Menge an alpha-DOX mRNA und Protein ab. Alpha-Dioxygenase-Aktivität war bereits in trockenen Samen detektierbar, während der Keimung nahm sie deutlich zu. Im Vergleich von Spross- und Wurzelgewebe war die Aktivität in Wurzeln höher, bezogen sowohl auf das Frischgewicht der Pflanzen als auch auf die Menge an Gesamtprotein (spezifische Aktivität). Die Untersuchungen an Wurzeln zeigten, dass die Aktivität bezogen auf das Frischgewicht der Pflanzen über den betrachteten Zeitraum kaum variierte, während die spezifische Aktivität mit zunehmendem Alter der Pflanzen kontinuierlich zunahm. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass in Erbsen mehrere alpha-Dioxygenase-Isoenzyme vorhanden sind, so wie man dies für andere höhere Pflanzen bereits postuliert hat. Ein zellprotektiver Effekt von alpha-Dioxygenasen auf Pflanzen während der Interaktion mit Pathogenen ist bekannt. Möglicherweise ist dies auch der Grund für eine verstärkte Expression während der Keimung von Pflanzen. Die bevorzugte Expression in Wurzeln könnte auf eine Funktion als permanentes Schutzsystem gegen Infektion hindeuten. / The enzyme alpha-dioxygenase (alpha-DOX) from pea (Pisum sativum) has been examined with the following objectives: isolation and characterisation of the cDNA encoding the P. sativum alpha-DOX, expression of the P. sativum alpha-DOX in Escherichia coli and subsequent isolation, analysis of the interaction between the P. sativum alpha-DOX and fatty acid substrates, and systematic study of the expression of the P. sativum alpha-DOX during germination and development of pea plants. alpha-Dioxygenases catalyse the initial step of the alpha-oxidation of long chain fatty acids in plants, which leads via the intermediary formation of a (R)-2-hydroperoxy fatty acid to the formation of the corresponding (R)-2-hydroxy fatty acid and the one C atom chain-shortened aldehyde. The cDNA encoding the alpha-Dioxygenase from pea cDNA was isolated (2132 bp), comprising an open reading frame (orf) of 1929 bp. This cDNA encodes a polypeptide of 643 amino acids with a calculated molecular mass of about 73 kD. The Pisum sativum alpha-dioxygenase was expressed in E. coli as a fusion protein with a 6 x His tag and isolated by means of metal affinity chromatography using Ni-NTA agarose. The studies on the interaction of the P. sativum alpha-dioxygenase with fatty acid substrates comprised experiments regarding the necessary prerequisites of substrates, as well as a study on amino acid residues as potential interaction partners with substrates. It was shown that the free carboxyl group of substrates is indispensable for the reaction of alpha-dioxygenases with fatty acids. On the basis of an alignment of the amino acid sequences of alpha-dioxygenase from pea and PGHS-1 from O. aries, four amino acid residues were selected as potential interaction partners in the pea alpha-dioxygenase. These were the arginine residues Arg-87, Arg-391, Arg-569 and Arg-570. By means of site-directed mutagenesis, the arginine residue Arg-570 was identified as being indispensable for the catalytic activity. The expression of the P. sativum alpha-dioxygenase in germinating pea seeds and young pea plants was examined. The time course of expression and the tissue specificity were investigated. Germination leads to a pronounced accumulation of alpha-dioxygenase mRNA in peas. Alpha-Dioxygenase protein is also present in a significant amount in germinating and young pea plants. A pronounced tissue specificity was observed: alpha-DOX mRNA was almost exclusively found in roots of pea plants, whereas in shoots only small amounts were detected. In contrast, alpha-DOX protein was equally detected in shoot and root tissue. Paralleling growth, the amount of alpha-DOX mRNA and protein decreased. Alpha-dioxygenase activity is already detectable in dry seeds, during germination it increases markedly. When comparing shoot and root tissue, the activity in roots was found to be higher with respect to the samples’ fresh weight as well as to the amount of total protein (specific activity). In roots the activity with respect to the samples’ fresh weight varied scarcely during the time observed, whereas the specific activity increased continuously with proceeding maturation of the plants. This result indicates that further alpha-dioxygenase isoenzymes exist in pea plants, as had been postulated earlier for other higher plants. It is known that alpha-dioxygenases exert a cell protective effect on plants during the interaction of plants with pathogens. Possibly this could be a reason for the enhanced expression during plant germination. The predominant expression in roots might indicate a function as a permanent protection system against infections.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:1230 |
| Date | January 2005 |
| Creators | Meisner, Anke Karla |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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