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Hordeum vulgare CYP76M57 catalyzes C2 shortening of tryptophan side chain by C–N bond rearrangement in gramine biosynthesis

普通大麦 生物 生物化学 吲哚试验 生物合成 色氨酸 拟南芥 氨基酸 代谢物 化学 立体化学 基因 突变体 禾本科 植物
作者
Erika Ishikawa,Shion Kanai,Akihisa Shinozawa,Mami Hyakutake,Masayuki Sue
出处
期刊:Plant Journal [Wiley]
卷期号:118 (3): 892-904
标识
DOI:10.1111/tpj.16644
摘要

SUMMARY The indole alkaloid gramine, 3‐(dimethylaminomethyl)indole, is a defensive specialized metabolite found in some barley cultivars. In its biosynthetic process, the tryptophan (Trp) side chain is shortened by two carbon atoms to produce 3‐(aminomethyl)indole (AMI), which is then methylated by N ‐methyltransferase (HvNMT) to produce gramine. Although side chain shortening is one of the crucial scaffold formation steps of alkaloids originating from aromatic amino acids, the gene and enzyme involved in the Trp–AMI conversion reactions are unknown. In this study, through RNA‐seq analysis, 35 transcripts were shown to correlate with gramine production; among them, an uncharacterized cytochrome P450 (CYP) gene, CYP76M57 , and HvNMT were identified as candidate genes for gramine production. Transgenic Arabidopsis thaliana and rice overexpressing CYP and HvNMT accumulate AMI, N ‐methyl‐AMI, and gramine. CYP76M57, heterologously expressed in Pichia pastoris , was able to act on Trp to produce AMI. Furthermore, the amino group nitrogen of Trp was retained during the CYP76M57‐catalyzed reaction, indicating that the C 2 shortening of Trp proceeds with an unprecedented biosynthetic process, the removal of the carboxyl group and C α and the rearrangement of the nitrogen atom to C β . In some gramine‐non‐accumulating barley cultivars, arginine 104 in CYP76M57 is replaced by threonine, which abolished the catalytic activity of CYP76M57 to convert Trp into AMI. These results uncovered the missing committed enzyme of gramine biosynthesis in barley and contribute to the elucidation of the potential functions of CYPs in plants and undiscovered specialized pathways.
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