Oxylipine sind wichtige biologisch aktive Verbindungen, die entscheidende Rollen in der Abwehr, dem Wachstum, der Entwicklung und der Reproduktion von Pflanzen und Tieren spielen. Oxylipine können entweder über enzymatische Wege oder eine Radikal-katalysierte Reaktion gebildet werden. Enzymatische und nicht-enzymatische Oxidationsprodukte der Arachidonsäure (C20:4) in Tieren sind Prostaglandine und Isoprostane. In Pflanzen werden ausgehend von der -Linolensäure (C18:3) über einen enzymatischen Weg OPDA und Jasmonsäure und durch Radikal-katalysierte Reaktion Phytoprostane gebildet. Die Membranen von Cyanobakterien enthalten, ähnlich denen von Pflanzen, einen großen Anteil an mehrfach ungesättigten Fettsäuren, ca. 25% der gesamten Fettsäuren. Biosynthese und Funktionen der Oxylipine wurden an zwei Modell-Cyanobakterien, Anabaena PCC 7120 und Synechocystis PCC 6803 untersucht: 1. Das fadenförmige Cyanobakterium Anabaena PCC 7120 kann Phytoprostane Typ I und II sowie Hydroxyfettsäuren ähnlich wie Pflanzen produzieren aber die enzymatische Ausstattung zur Bildung von Jasmonaten (12-oxo-Phytodiensäure und Jasmonsäure) und Prostaglandinen ist nicht vorhanden. Die erhaltenen Daten stellen den ersten Nachweis für das Vorkommen von Phytoprostanen in Cyanobakterien bzw. bei Prokaryonten dar. 2. Durch GC-MS Analyse wurden E1- and F1-Phytoprostane in Anabaena PCC 7120 in freier und veresterter Form detektiert. Die Spiegel sind vergleichbar mit denen in Pflanzen und lagen im Bereich von ng/g TG. PPF1 ließen sich nicht in einwöchigen Kulturen nachweisen, die Spiegel in sechswöchigen Kulturen lagen bei 142 ng/l. Die Spiegel von PPE1 waren hingegen in ein- und sechswöchigen Kulturen ähnlich und lagen bei ca. 20 ng/g TG. Die Mengen an freien PPE1 in den Zellen waren mit 80.5  23.6 etwa viermal höher als die von PPF1 mit 24.1  10.9 ng/g TG. Allerdings gab es keine signifikanten Unterschiede in den Spiegeln an gesamten PPF1 und PPE1 in den Zellen, sie lagen im Bereich von 150 bis zu ca. 200 ng/g TG. 3. Die Akkumulation von Phytoprostanen in Anabaena ist induzierbar. Nach der Kombination von oxidativem Stress (200 µM H2O2 oder 10 µM CuSO4) und hoher Lichtintensität (330 µE.m-2.s-1) für 8 h stiegen die Spiegel an gesamten PPE1 und PPF1 um den Faktor 2 bis 4 an. Interessanterweise führte im Gegensatz zu höheren Pflanzen die Applikation von oxidativem Stress oder hoher Lichtintensität alleine nicht zur Induktion der Phytoprostanakkumulation in diesen Cyanobakterien. 4. Eine Vorbehandlung von Anabaena Zellen mit exogenen Phytoprostanen führte zu einer erhöhten Toleranz gegenüber oxidativem Stress. Alle Phytoprostane außer PPE1 zeigten einen Schutzeffekt. Eine Mischung von PPA1 Typ I und II ergab den höchsten Schutzeffekt. Eine Vorinkubation von Anabena Zellen mit 100 µM PPA1–type I/II für 16 h schützte 84.2% beziehungsweise 77.5% der Zellen vor einer anschießenden lethalen Applikation von 1 mM H2O2 beziehungsweise 50 µM CuSO4 für 5 h. Ohne eine Oxylipin-Vorinkubation starben etwa 98% der Zellen. Überraschenderweise ergab auch die Vorbehandlung mit anderen, enzymatisch gebildeten Oxylipinen aus Tieren und Pflanzen einen Schutzeffekt, der allerdings nur 10 bis 30% betrug. Dagegen schützte eine Phytoprostan-Vorbehandlung nicht Pseudomonas syringae und Escherichia coli gegen toxische Mengen von Wasserstoffperoxid. Allerdings fehlen in den Membranen dieser Bakterien mehrfach ungesättigte Fettsäuren und deshalb endogen oxydierte Lipide. 5. Eine exogene Applikation von 100 µM PPF1 oder 1,5 mM H2O2 führte in Anabaena nicht zu einer Induktion der Expression des isiA Gens. Oxylipin-Behandlungen zeigten auch keine Wirkung auf Shinorin- und Tocopherol-Spiegel in Anabaena. Die Applikation von 100 µM PPF1 für 6 h führte aber zu Änderungen im Proteinmuster in Anabaena. Der größte Teil der differentiellen Proteine wurde durch PPF1 herunterreguliert. Bei vielen dieser Proteine handelt es sich um photosynthetische Proteine. Da ein oxidativer Stress nur in der Kombination mit hoher Lichtintensität die Lipidperoxidation erhöht, könnte die negative Regulation der Photosynthese nach Erkennung von oxydierten Lipiden (Phytoprostanen) eine Überlebens-Strategie sein um Schäden durch peroxidierte Lipide zu vermeiden. 6. Tote Pflanzen könnten eine hauptsächliche Quelle der exogenen Phytoprostane in der natürlichen Umgebung von Anabaena sein. Trockenes Heu gibt PPE1 und PPF1 (11 µg/g TG) an die wässerige Umgebung ab. Anabaena ist ein typisches Cyanobakterium in Reisfeldern. Nach der Ernte bleiben meist die nicht genutzten Teile der Reispflanzen auf dem Feld. Diese könnten Phytoprostane abgeben, die wiederum einen Einfluß auf die Cyanobakterien im Reis-Ökosystem haben könnten. 7. Eine neue Kategorie von Oxylipinen, die Phytoprostane Typ III und IV, wurden in vitro identifiziert und quantifiziert. Die beiden Haupt-Phytoprostane, PPE1 und PPF1 (Typ III und IV), können durch die Autoxidation der -Linolensäure oder des Borretschsamenöls (enthält 25% der -Linolensäure) gewonnen werden. Nach 12 Tagen Autoxidation und anschließender Hydrolyse wurden aus 1 g Borretschsamenöl 112,71 ± 1,93 µg PPF1 und 3,80 ± 0,14 mg PPE1 isoliert. PPB1 und PPA1 (Typ III und IV) wurden durch Isomerisierung und Dehydratisierung von PPE1 hergestellt. Die Ausbeute von PPB1 lag bei 1,71 ± 0,04 mg/g Öl (Typ III) und 2,09 ± 0,12 mg/g Öl (Typ IV), die von PPA1 lag bei 8,38 ± 0,35 µg/g und 10,18 ± 0,30 µg/g Öl. 8. Es wurde eine schnelle HPLC-MS/MS Methode für die Analytik der Phytoprostane und Phytohormone entwickelt. Diese Methode wurde für die Quantifizierung von freien und veresterten E1- and F1-Phytoprostane Typ III und IV in Synechocystis PCC 6803 angewendet. Die Phytoprostane Typ III und IV sind in vivo in freier und veresterter Form vorhanden. Die Spiegel der gesamten PPE1 Typ III und IV in Synechocystis sind mindestens doppelt so hoch wie die von PPF1. Im Gegensatz zu Anabaena, waren PPE1 und PPF1 in ein- und sechswöchigen Kulturen von Synechocystis detektierbar. Die Spiegel an freien PPF1 im Medium (231,8 ± 36,2 ng/l) und in den Zellen (164,9 ± 15,2 ng/g TG) waren niedriger als die von PPE1 (1003,3 ± 365,2 ng/l und 2331,0 ± 87,7 ng/g TG). / Oxylipins are important biological active compounds that play essential roles in defense, growth, development, and reproduction of plants and animals. Oxylipins are formed either by enzymatic pathways or radical catalyzed reaction from polyunsaturated fatty acids. Products of oxidation of arachidonic acid (C20:4) in animals by enzymatic and non-enzymatic pathways are prostaglandins and isoprostanes, respectively. In plants, radical catalyzed reaction of -linolenic acid (C18:3) forms phytoprostanes and enzymatic oxidation of this fatty acid produces OPDA and jasmonic acid. Like plants, cyanobacterial membranes contain a high ratio of polyunsaturated fatty acid, about 25% of total fatty acids. Oxylipin biosynthesis and function was studied in two model cyanobacteria, Anabaena PCC 7120 and Synechocystis PCC 6803, for the first time: 1. The filamentous cyanobaterium Anabaena PCC 7120 can naturally produce phytoprostanes type I and II as well as hydroxy fatty acids like in plants but lacks the enzymatic capacity to form jasmonates (12-oxo-phytodienoic acid and jasmonic acid) and prostaglandins. Data obtained provide the first evidence for the occurence of phytoprostanes in cyanobacteria as well as in the baterial kingdom. 2. By GC-MS analysis, the E1- and F1-phytoprostanes in Anabaena PCC 7120 were detected both in free and esterified form. Their levels are comparable with those in plants, in the range of ng/g DW. In one week old cultures, there was no evidence of PPF1 in the medium but its level accumulated up to 142 ng/l in six weeks old cultures. In contrast, PPE1 was stable over time, about 20 ng/g DW. Free cellular PPE1 was found about 4 times higher than that of PPF1, 80.5  23.6 and 24.1  10.9 ng/g DW, respectively. However, there was no significant difference in the total cellular levels of PPF1 and PPE1, ranging from 150 to about 200 ng/g DW. 3. Phytoprostanes are inducible in Anabaena. In the combination of oxidative stress (200 µM H2O2 or 10 µM CuSO4) with high light intensity (330 µE.m-2.s-1) for 8 h, levels of total cellular PPE1 and PPF1 were increased about 2 to 4 times. Interestingly, unlike in higher plants, application of oxidative stress or high light intensity alone showed no phytoprostaneous induction in this cyanobacterium. 4. When Anabaena cells were treated with phytoprostanes, Anabaena cells became remarkably resistant against subsequently applied – otherwise lethal – oxidative stress. All phytoprostanes displayed a high protective effect except for PPE1. The highest protection level was contributed by a mixture of PPA1 type I and II. After preincubation of Anabena cells with 100 µM PPA1–type I/II for 16 h followed by application of 1 mM H2O2 or 50 µM CuSO4 for 5 h, A1-phytoprostane pre-treatment protected 84.2% and 77.5% of the cells from cell death, respectively. Without oxylipins pre-treatment, about 98% of the cells were dead. Surprisingly, preincubation of Anabaena with other oxylipins derived from enzymatic pathway in plants and animals showed also an effect, however, the protection effect was low and ranged from 10 to 30%. In contrast, phytoprostanes did not protect Pseudomonas syringae and Escherichia coli from the toxicity of hydrogen peroxide. However, these bacteria do not synthesize polyunsaturated fatty acids and are therefore devoid of and not exposed to endogenously formed oxidized lipids. 5. Exogenous application of 100 µM PPF1 or 1.5 mM H2O2 for 90 min did not activate the expression of isiA in Anabaena. Oxylipins also displayed no effect on shinorine and tocopherol levels in Anabaena. However, application of 100 µM PPF1 for 6 h altered the protein expression in Anabaena. Most PPF1-modulated proteins are down-regulated and related to photosynthesis. Since oxidative stress only in combination with high light intensity increased lipid peroxidation, down-regulation of photosynthesis after recognition of oxidised lipids (phytoprostanes) may be a survival strategy of Anabaena to avoid damage by peroxidized lipids. 6. Dead plants may be the main source of (exogenous) phytoprostanes in the natural environment of Anabaena. Dry hay releases PPE1 and PPF1 (11 µg/g DW) into an aqueous environment. Anabaena is the typical cyanobacterium in paddy rice fields. After harvesting, most of uneconomical parts of rice plants are abundant on the field, which may release phytoprostanes that in turn might have an impact on cyanobacteria in the rice ecosystems. However, field research is needed to clarify this suspection. 7. A new class of oxylipins, phytoprostanes type III and IV, was identified and quantified in vitro. The two main phytoprostanes, PPE1 and PPF1 (type III and IV), can be obtained by autoxidation of -linolenic acid or Borage oil (containing 25% esterified -linolenic acid). After 12 days of autoxidation and subsequent hydrolysis, 1 g of Borage oil yielded 112.71 ± 1.93 µg of PPF1 and 3.80 ± 0.14 mg of PPE1. PPB1 and PPA1 (type III and IV) were prepared by isomerization and dehydration of PPE1 (type III and IV). The overall yield of PPB1 was 1.71 ± 0.04 mg/g oil (type III) and 2.09 ± 0.12 mg/g oil (type IV). Those of PPA1 were 8.38 ± 0.35 µg/g and 10.18 ± 0.30 µg/oil, respectively. 8. A rapid HPLC-MS/MS method for phytoprostane and phytohormone analysis has been developed. This method was applied to quantify free and esterified E1- and F1-phytoprostanes type III and IV in Synechocystis PCC 6803. The in vivo phytoprostanes type III and IV are present both in free and esterified form. The total cellular level of PPE1 type III and IV in Synechocystis is at least 2 times higher than that of PPF1. Unlike Anabaena, PPE1 and PPF1 were detectable in the medium of one week old Synechocystis cultures. Free levels of PPF1 in the medium (231.8 ± 36.2 ng/l) and in the cells (164.9 ± 15.2 ng/g DW) are lower than those of PPE1 (1003.3 ± 365.2 ng/l and 2331.0 ± 87.7 ng/g DW).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:2079 |
| Date | January 2007 |
| Creators | Nhan, Pham Phuoc |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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