Reinigung, Klonierung und heterologe Expression der Methyljasmonat-Esterase aus Lycopersicon esculentum

• Main Author: Stuhlfelder, Christiane
• Format: Doctoral Thesis
• Language: deu
• Published: 2004
• Subjects: Tomate; Methylglasmonat; Esterasen; ddc:570
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/734; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8433; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-8433; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/734/DISS_Endversion_gesamt.pdf

Aus Lycopersicon esculentum Zellsuspensionskulturen konnte ein bisher unbekanntes Enzym isoliert und beschrieben werden, das die Hydrolyse von Methyljasmonat (MeJA) zu Jasmonsäure (JA) katalysiert. Das Enzym wurde als Methyljasmonat-Esterase (MeJA-Esterase) bezeichnet. Mittels Methyl-[2-14C]JA und [Methyl-3H]MeJA wurden qualitative und quantitative Enzymtestsysteme etabliert, welche die Reinigung und Charakterisierung des Enzyms erlaubten. Methyljasmonat-Esterase Aktivität konnte in 18 taxonomisch unterschiedlichen Zellsuspensionskulturen höherer Pflanzen sowie in differenziertem Gewebe (Blüte, Wurzel, Stengel und Blatt) von Lycopersicon esculentum cv. Moneymaker nachgewiesen werden. In einem 6-stufigen Reinigungsverfahren wurde das native Enzym mit einer Ausbeute von 2.2 % bis zur Homogenität 767-fach angereichert. Die native MeJA-Esterase kommt nativ als monomeres 26 kDa großes Protein vor. Unter denaturierenden Bedingungen konnte ein Molekulargewicht von 28 kDa bestimmt werden. Eine Analyse mittels ESI-TOF-Massenspektrometrie ergab ein Molekulargewicht von 28547 Da. Die native MeJA-Esterase hatte ein basisches pH-Optimum von 9.0. Optimale katalytische Aktivität zeigte die MeJA-Esterase bei einer Reaktionstemperatur von 40 C. Der isoelektrische Punkt lag bei pH 4.7. Eine vollständige und irreversible Hemmung der MeJA-Esterase konnte durch 5 mM Phenylmethylsulfonylfluorid (PMSF), einem Serinprotease-Inhibitor erzielt werden. Dieses Ergebnis lieferte einen Hinweis darauf, dass die MeJA-Esterase eine katalytische Triade mit einem reaktiven Serin-Rest besitzt. N-Methylmaleimid, Iodacetamid, Bestatin, Pepstatin und Leupeptin konnten die MeJA-Esterase nicht inhibieren. Nach der Reinigung der MeJA-Esterase wurde das Protein partiell mit der Endoproteinase LysC verdaut. Mittels Sequenzierung der Spaltpeptide und N-terminaler Sequenzierung der MeJA-Esterase konnte von vier Peptiden die Sequenz bestimmt werden. Ein Datenbankvergleich (SwissProt und EMBL) dieser Peptide mit bekannten Sequenzen zeigte eine hohe Homologie (bis zu 80 %) zu verschiedenen Esterasen und α-Hydroxynitrillyasen. Die Peptide konnten somit eindeutig als Bestandteile einer Esterase identifiziert werden. Zur Identifizierung des MeJA-Esterase Gens wurden aus den Peptidsequenzen degenerierte Primer abgeleitet und zur weiteren Klonierung verwendet. Über eine Reverse Transkription mit anschließender PCR wurde ein internes cDNA-Fragment (513 bp) amplifiziert. Mittels RACE (Rapid Amplification of cDNA Ends) konnten das 5´-und 3´-Ende der MeJA-Esterase cDNA ermittelt werden. Die Nucleotidsequenz umfasste einen offenen Leserahmen von 786 bp. Die davon abgeleitete Aminosäuresequenz codierte ein offenes Leseraster für ein Protein von 262 Aminosäuren. Datenbankvergleiche der vollständigen Aminosäuresequenz zeigten Homologien von 33 – 47 % zu Esterasen und α-Hydroxynitrillyasen. Die Aminosäuren der katalytischen Triade, die in den homologen Proteinen hochkonserviert waren, konnten bei der MeJA-Esterase als Serin-83, Asparaginsäure-211 und Histidin-240 ermittelt werden. Diese drei Aminosäuren bilden vermutlich das katalytische Zentrum der MeJA-Esterase. Darüber hinaus konnte eine hochkonservierte Signatur, die allen Lipasen gemeinsam ist in der Aminosäuresequenz der MeJA-Esterase identifziert werden. Diese Ergebnisse erlauben eine Einordnung der MeJA-Esterase in die Superfamilie der „alpha/beta-Fold“-Hydrolasen. Untersuchungen der Primärstruktur der MeJA-Esterase legten den Schluss nahe, dass es sich um ein cytosolisches Enzym handelt. Eine Southern-Blot Analyse mit genomischer DNA aus L. esculentum wurde zur Abschätzung der Kopienzahl der zum Protein der MeJA-Esterase korresporendierenden Gene durchgeführt. Dabei wurden zwei bis sieben DNA-Abschnitte ermittelt, die mit der Volllänge-Sonde der MeJA-Esterase hybridisierten. Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass die MeJA-Esterase zu einer Genfamilie gehört. Unklar bleibt jedoch, ob es sich um mehrere homologe Gene handelt, oder ob eine Hybridisierung der Volllänge-Sonde mit Pseudogenen erfolgte. Die heterologe Expression der MeJA-Esterase cDNA wurde erfolgreich durchgeführt. Hierdurch wurde der Beweis erbracht werden, dass die klonierte cDNA tatsächlich für das Gen der MeJA-Esterase codierte. Nach Klonierung der cDNA in den pQE70-Expressionsvektor und Transformation in kompetente E. coli (M15) konnte im Proteinrohextrakt eine spezifische Enzymaktivität von 1.64 pkat/mg detektiert werden. In einem 4-stufigen Reinigungsverfahren wurde das heterolog exprimierte Enzym mit einer Ausbeute von 0.8 % bis zur Homogenität 283-fach angereichert. Untersuchungen zur Substratspezifität zeigten, dass native und heterolog exprimierte MeJA-Esterase Methyljasmonat zu Jasmonsäure hydrolysierten. In beiden Fällen handelte es sich jedoch um kein hochspezifisches Enzym. Für die native MeJA-Esterase konnte ein KM-Wert von 14.7 ± 0.8 µM und für die heterolog exprimierte MeJA-Esterase ein KM-Wert von 24.3 ± 2.3 µM ermittelt werden. === From cell suspension cultures of Lycopersicon esculentum a so far unknown enzyme was purified, catalyzing the cleavage of methyl jasmonate to jasmonic acid. The isolated enzyme was termed as methyl jasmonate esterase (MeJA esterase). Qualitative and quantitative enzyme assays using methyl-[2-14C]jasmonic acid and [methyl-3H]methyl jasmonate as substrates were established for purification and characterization of the enzyme. Screening of 18 suspension plant cell cultures of taxonomically distant species revealed that MeJA-Esterase activity occurs in all plant species so far analyzed. MeJA esterase activity was also found in flowers, roots, stems and leaves of L. esculentum (cv. Moneymaker). MeJA esterase was purified in a six-step purification scheme. The enzyme was purified 767-fold to give a homogenous protein with a yield of 2.2 %. The native enzyme exhibited a Mr of 26 kDa (gel-filtration chromatography) which was similar to the Mr determined by SDS-PAGE (Mr of 28 kDa) and ESI-TOF MS analysis (Mr of 28547 kDa). MeJA esterase revealed a pH optimum of pH 9.0 and a temperature optimum of 40 C. Chromatofocussing of MeJA esterase gave an isoelectric point (pI) of 4.7. Phenylmethanesulfonyl fluoride (PMSF), a serine protease inhibitor, led to irreversible and complete inhibition of MeJA esterase at a concentration of 5 mM. This result suggests that the enzyme has a catalytic triade with an active serine residue. N-Methylmaleimide, iodacetamide, bestatin, leupeptin and pepstatin did not inactivate the enzyme. Proteolysis of the purified and pure enzyme with endoproteinase LysC and subsequently sequencing revealed three peptide fragments. N-Terminal sequencing yielded an additional peptide fragment. Sequence alignment of these fragments showed high homologies (up to 80 %) to certain esterases and hydroxynitrile lyases. MeJA esterase peptides could be identified as components of an esterase. For the identification of the MeJA esterase gene degenerated primers were designed on the basis of the partial amino acid sequences obtained from the purified MeJA esterase. Degenerated primers were used for cloning. Reverse transcription followed by PCR amplified an internal cDNA fragment (513 bp). Full-length cDNA of MeJA esterase was amplified using RACE (Rapid amplification of cDNA ends). Sequencing and annealing of the 5´- and the 3´-sequence revealed an open reading frame of 789 bp encoding a 262 amino acid protein. Sequence analysis and alignment with known proteins from Genbank showed high overall-homology of 33 – 47 % to esterases and hydroxynitrile lyases. Since all the aligned proteins belong to the extremely divergent family of alpha/beta-hydrolase fold proteins it could be assumed that MeJA esterase is a member of this protein family. MeJA esterase shows the highly conserved amino acid residues forming the catalytic triad – nucleophile, acid and a histidine – represented by serine-83, aspartic acid-211 and histidine-240. Additionally a higly conserved lipase motive could be identified in the MeJA esterase amino acid sequence. Analysis of the primary structure of the enzyme makes a cytosolic location probably. Southern blot analysis of genomic cDNA from cell suspension cultures of L. esculentum was carried out to estimate gene copies of MeJA esterase. MeJA esterase coding sequence hybridized with two to seven cDNA fragments. It might be possible that MeJA esterase belongs to a gene family. It remains still unclear if there are several homologous genes or pseudogenes hybridized with the MeJA esterase sequence. To get unequivocal evidence of the identity of cloned sequence, MeJA esterase cDNA was successfully subcloned into a bacterial vector (pQE70) for heterologous expression. Crude extracts of E. coli M15 cells harbouring the pQE-MeJA esterase plasmid showed MeJA esterase activity (1.64 pkat/mg) while wild type M15 cells did not show any MeJA esterase activity. A four step purification protocol was employed to purify the enzyme to homogeneity (283-fold) with a yield of 0.8 %. Analysis of substrate specifity showed that native and heterologously expressed MeJA esterase cleaved methyl jasmonate to jasmonic acid. However MeJA esterase is not a highly specific enzyme. Enzyme kinetics of native MeJA esterase revealed a KM value of 14.7 ± 0.8 µM while heterologous expressed MeJA esterase revealed a KM value of 24.3 ± 2.3 µM. Northern blot analysis was used to determine MeJA esterase expression in different plant organs. MeJA esterase transcripts were present in all tomato plant tissues. High levels of MeJA esterase mRNA could be found in roots and flowers while low to moderate amounts where present in leafs and stems of tomato plants.