Lignane in Leinkulturen: Vorkommen und Biosynthese

Besonderes Interesse:Biosynthese von Podophyllotoxin

Lignane gehören zu den pflanzlichen Sekundärmetaboliten. Sie entstehen durch Dimerisierung zweier Phenylpropaneinheiten. Das Lignan Podophyllotoxin wird für die Semi-Synthese der Antikrebs-Therapeutika Etoposid und Teniposid sowie Etopophos® eingesetzt.

Die rein chemische Synthese von Podophyllotoxin ist zu kostspielig. Daher wird die Substanz immer noch aus den Wurzeln und Rhizomen von Pflanzen der Gattung Podophyllum extrahiert. Da diese Pflanzen nicht für den Feldanbau geeignet sind, sind einige Arten, wie zum Beispiel Podophyllum hexandrum aus Indien, bereits vom Aussterben bedroht. Pflanzliche Zell- und Gewebekulturen könnten in der Zukunft eine alternative Quelle zur Gewinnung von Podophyllotoxin und verwandten Lignanen darstellen. Daher gilt unser Interesse der Etablierung und Analyse von Kulturen verschiedenster Leinarten, insbesondere der Art Linum album (weißer Lein). Zellsuspensionskulturen des weißen Leins akkumulieren Podophyllotoxin und 6-Methoxypodophyllotoxin als Glycoside (Smollny et al. 1998). Wir konnten zeigen, dass auch eine Kultivierung im 20 l Schlaufenreaktor möglich ist. Dort kann eine Produktausbeute an Podophyllotoxin von 0,2 % der Trockenmasse erreicht werden. Die Kosten für die Kultivierung pflanzlicher Zellkulturen im Bioreaktor sind allerdings sehr hoch und bedingt durch die noch zu geringe Produktausbeute, ist die kommerzielle Nuzung unserer Kulturen zur Podophyllotoxingewinnung in weiter Ferne. Daher versuchen wir, die Biosynthese des Podophyllotoxins in Linum album aufzuklären und die einzelnen Schritte biochemisch und molekularbiologisch näher zu charakterisieren mit dem Ziel, die Pflanze genetisch zu verändern und damit die Produktausbeute zu verändern. Inzwischen können wir nahezu alle enzymatischen Reaktionen des sogenannten "Allgemeinen Phenylpropanstoffwechsels" nachweisen, die für die Bereitstellung des Coniferylalkohols, der Vorstufe des Podophyllotoxins, verantwortlich sind. Für die folgenden Enzyme konnten wir bereits aus einer von uns angelegten cDNA-Bank cDNA-Klone isolieren: Phenylalanin Ammoniumlyase, Kaffeesäure O-Methyltransferase, Cinnamoyl-CoA: NADP Oxidoreductase und Cinnamyl Alkoholdehydrogenase. Diese Gene werden in E. coli exprimiert, um ihre Funktionalität zu zeigen und um eine weitere Charakterisierung vorzunehmen. Die nächsten Schritte der Biosynthese von Coniferylalkohol zu Matairesinol sind bereits in Forsythia intermedia gut untersucht (Xia et al. 2000). Wir haben Grund zur Annahme, dass diese Schritte so auch in der Biosynthese des Podophyllotoxins in Linum album stattfinden. Aus diesem Abschnitt der Biosynthese haben wir eine cDNA für die Pinoresinol/Lariciresinol Reduktase isoliert. Diese Sequenz zeigt 88 % Homologie zur Sequenz des gleichen Enzyms aus Forsythia intermedia (Dinkova-Kostova et al. 1996). Eine Cytochrom P450 abhängige Monoxygenase katalysiert die Bildung von ß-Peltatin aus Desoxypodophyllotoxin (Molog et al., 2001).

Dinkova-Kostova A.T., et al. (1996), J. Biol. Chem. 271, 29473-29482

Smollny T., et al. (1998), Phytochem. 48, 975-979

Xia Z.-Q., et al. (2000), Phytochem. 55, 537-549

Molog. M.G. (2001) Planta 214, 288-294