Phytoen-Desaturasen sind an der Carotinoid-Biosynthese beteiligte Enzyme aus der Gruppe der Desaturasen. Sie katalysieren die Dehydrogenierung von 15-cis-Phytoen. Unterschieden wird zwischen bakteriellen und pilzliche Phytoen Desaturasen (CRTI) und pflanzlichen und cyanobakteriellen Phytoen Desaturasen (PDS). CRTI katalysiert die Umwandlung von Phytoen direkt zu all-trans-Lycopin. Die komplette Umwandlung in Pflanzen und Bakterien erfolgt über vier Enzyme (PDS, ζ-Carotin Isomerase, ζ-Carotin Desaturase, Cis-Trans Isomerase), von denen PDS den ersten Schritt zum ζ-Carotin katalysiert.

Biochemie

Bei der Umwandlung von 15-cis-Phytoen in all-trans-Lycopin werden insgesamt vier neue Doppelbindungen ins Substrat-Molekül eingeführt. Die Oxidation des Phytoens erfolgt dabei unter Reduktion von FAD, welches sowohl in bakteriellen als auch in pflanzlichen Phytoen Desaturasen enthalten ist. Während CRTI den gesamten biochemischen Pfad zu Lycopin darstellt, erfolgt bei PDS lediglich die Katalyse zu 9,15,9'-tri-cis-ζ-Carotin. Dabei werden an Position 11 und 11' der symmetrischen Kohlenstoffkette zwei neue Doppelbindungen eingeführt und an Positionen 9 und 9' die Doppelbindungen von trans nach cis isomerisiert. Die bei dieser Reaktion entfernten Elektronen werden über FAD an Plastochinon abgeführt und über terminale Oxidasen letztlich zur Sauerstoff-Reduktion genutzt.

Verwendung

Einige Herbizide wie Norflurazon, Diflufenican und Picolinafen wirken durch Hemmung der PDS. Dabei blockiert das Herbizid die Bindestelle von Plastochinon innerhalb des Enzyms. Da das Ausschalten des PDS-Gens in Pflanzen ein Ausbleichen der Pflanze bewirkt, wurde dieser Effekt zur Präsentation von effizienter Genomeditierung mittels CRISPR/Cas9 genutzt.

Im Goldenen Reis wurde neben einer Phytoensynthase und Lycopincyclase aus der Narzisse das Gen einer bakteriellen Phytoen Desaturase in das Reisgenom integriert.

Einzelnachweise

1. 1 2 3 Anton Brausemann, Sandra Gemmecker, Julian Koschmieder, Sandro Ghisla, Peter Beyer, Oliver Einsle: Structure of Phytoene Desaturase Provides Insights into Herbicide Binding and Reaction Mechanisms Involved in Carotene Desaturation. In: Structure. Band 25, Nr. 8, 2017, S. 1222–1232.E3, doi:10.1016/j.str.2017.06.002, PMID 28669634. 
2. ↑ Patrick Schaub, Qiuju Yu, Sandra Gemmecker, Pierre Poussin-Courmontagne, Justine Mailliot, Alastair G. McEwen, Sandro Ghisla, Salim Al-Babili, Jean Cavarelli, Peter Beyer: On the Structure and Function of the Phytoene Desaturase CRTI from Pantoea ananatis, a Membrane-Peripheral and FAD-Dependent Oxidase/Isomerase. In: PLoS One. Band 7, Nr. 6, 2012, S. e39550, doi:10.1371/journal.pone.0039550, PMID 22745782, PMC 3382138 (freier Volltext). 
3. ↑ P. D. Fraser, N. Misawa, H. Linden, S. Yamano, K. Kobayashi: Expression in Escherichia coli, purification, and reactivation of the recombinant Erwinia uredovora phytoene desaturase. In: The Journal of Biological Chemistry. Band 267, Nr. 28, 5. Oktober 1992, ISSN 0021-9258, S. 19891–19895, PMID 1400305. 
4. 1 2 Alexander R. Moise, Salim Al-Babili, Eleanore T. Wurtzel: Mechanistic aspects of carotenoid biosynthesis. In: Chemical Reviews. Band 114, Nr. 1, 8. Januar 2014, ISSN 1520-6890, S. 164–193, doi:10.1021/cr400106y, PMID 24175570. 
5. ↑ P D Fraser, H Linden, G Sandmann: Purification and reactivation of recombinant Synechococcus phytoene desaturase from an overexpressing strain of Escherichia coli. In: Biochemical Journal. Band 291, Nr. 3, 1. Mai 1993, ISSN 0264-6021, S. 687–692, PMID 8489496. 
6. ↑ T. A. Dailey, H. A. Dailey: Identification of an FAD superfamily containing protoporphyrinogen oxidases, monoamine oxidases, and phytoene desaturase. Expression and characterization of phytoene desaturase of Myxococcus xanthus. In: The Journal of Biological Chemistry. Band 273, Nr. 22, 29. Mai 1998, ISSN 0021-9258, S. 13658–13662, PMID 9593705. 
7. ↑ S. R. Norris, T. R. Barrette, D. DellaPenna: Genetic dissection of carotenoid synthesis in arabidopsis defines plastoquinone as an essential component of phytoene desaturation. In: The Plant Cell. Band 7, Nr. 12, Dezember 1995, ISSN 1040-4651, S. 2139–2149, doi:10.1105/tpc.7.12.2139, PMID 8718624, PMC 161068 (freier Volltext). 
8. ↑ Thomas Seitz, Michael G. Hoffmann, Hansjörg Krähmer: Herbizide für die Landwirtschaft: Chemische Unkrautbekämpfung. In: ChiuZ. Band 37, Nr. 2, 2003, S. 118, doi:10.1002/ciuz.200300279. 
9. ↑ Genji Qin, Hongya Gu, Ligeng Ma, Yiben Peng, Xing Wang Deng: Disruption of phytoene desaturase gene results in albino and dwarf phenotypes in Arabidopsis by impairing chlorophyll, carotenoid, and gibberellin biosynthesis. In: Cell Research. Band 17, Nr. 5, 2007, ISSN 1748-7838, S. 471–482, doi:10.1038/cr.2007.40, PMID 17486124. 
10. ↑ Chikako Nishitani, Narumi Hirai, Sadao Komori, Masato Wada, Kazuma Okada: Efficient Genome Editing in Apple Using a CRISPR/Cas9 system. In: Scientific Reports. Band 6, 2016, ISSN 2045-2322, S. 31481, doi:10.1038/srep31481, PMID 27530958, PMC 4987624 (freier Volltext). 
11. ↑ Ikuko Nakajima, Yusuke Ban, Akifumi Azuma, Noriyuki Onoue, Takaya Moriguchi: CRISPR/Cas9-mediated targeted mutagenesis in grape. In: PloS One. Band 12, Nr. 5, 2017, ISSN 1932-6203, S. e0177966, doi:10.1371/journal.pone.0177966, PMID 28542349, PMC 5436839 (freier Volltext). 
12. ↑ Peter Schopfer: Pflanzenphysiologie. Elsevier, Spektrum Akademischer Verlag, München 2010, ISBN 978-3-8274-2351-1, S. 382–383.