Feedback regulation of the methylerythritol 4-phosphate (MEP) pathway

Resumen

Los isoprenoides son una de las familias más grandes de metabolitos y tienen un gran interés en las industrias farmacéutica, de biocombustibles y agroalimentaria. Todos los isoprenoides derivan del difosfato de isopentenilo (IPP) y su isómero de doble enlace altamente electrofílico difosfato de dimetilalilo (DMAPP). IPP y DMAPP se derivan de la vía del ácido mevalónico (MVA) en las arqueas y el citosol de las células eucariotas, mientras que la mayoría de las bacterias y los plástidos de las células vegetales producen IPP y DMAPP por el 2-C-metil-D-eritritol 4-fosfato ( vía MEP). En comparación con la vía MVA, la vía MEP tiene una mayor capacidad teórica para producir precursores de isoprenoides, lo que ha estimulado una amplia investigación para mejorar aún más el flujo de la vía MEP para la producción biotecnológica de isoprenoides de interés en biofactorías microbianas y vegetales. Sin embargo, la regulación de retroalimentación del flujo de la ruta MEP por parte de IPP y DMAPP ralentiza el flujo de la ruta tan pronto como aumentan los niveles de IPP y DMAPP. Se informó que IPP/DMAPP disminuye los niveles y la actividad de la primera enzima de la vía MEP, la desoxi-D-xilulosa 5-fosfato (DXP) sintasa (DXS), pero se desconoce el mecanismo específico. Por otro lado, no se exploró la posible inhibición de otras enzimas de la vía MEP por IPP/DMAPP. El principal objetivo de esta tesis fue abordar estas cuestiones abiertas utilizando Escherichia coli y tomate (Solanum lycopersicum) como modelos bacteriano y vegetal, respectivamente._x000D_ A diferencia de E. coli, que solo tiene un gen que codifica DXS, tres genes codifican proteínas similares a DXS en el tomate. En la primera parte de la tesis, determinamos que las isoformas SlDXS1 y SlDXS2 son verdaderas enzimas DXS que se localizan juntas en plástidos y pueden formar heterodímeros, mientras que SlDXS3 carece de actividad DXS posiblemente debido a la unión alterada del cofactor tiamina difosfato (TPP). En el segundo capítulo de la tesis, demostramos que IPP y DMAPP inhiben alostéricamente la actividad de las enzimas DXS bacterianas (E.coli) y vegetales (tomate) EcDXS y SlDXS1 al unirse directamente desde el sitio activo de la enzima. Se descubrió que la unión de IPP y DMAPP promueve la monomerización del dímero DXS activo. Los monómeros DXS exponen dominios hidrofóbicos que de otro modo estarían ocultos en el dímero y pueden provocar su agregación y degradación eventual. Proponemos que la monomerización de DXS podría ser una respuesta relativamente rápida y reversible a niveles altos de IPP/DMAPP, mientras que la agregación y eliminación de monómeros representaría una respuesta lenta e irreversible cuando persiste un exceso de IPP/DMAPP. En la tercera y última parte del capítulo de la tesis, investigamos el posible efecto de IPP y DMAPP en la actividad de la siguiente enzima de la vía MEP, la DXS reductoisomerasa (DXR), y una enzima similar a DXR (DRL) que reemplaza a DXR. en algunas bacterias. Encontramos que IPP/DMAPP también inhibe la actividad DXR (pero no DRL). Similar a lo descrito para DXS, la regulación de la actividad DXR por IPP/DMAPP podría tener dos fases. La competencia de IPP/DMAPP con el cofactor NADPH del cofactor DXR por unirse al sitio activo de la enzima definiría la primera fase, mientras que la observación de que DMAPP también puede inhibir alostéricamente DXR mediante la monomerización del dímero activo podría representar una segunda (lenta y no -reversible) fase. Estos resultados nos ayudan a comprender la complejidad de la red de regulación de retroalimentación que opera en varios pasos de la ruta MEP y representan una base sólida para mejorar eventualmente el flujo de la ruta MEP.

Fecha de lectura	14 nov 2022
Idioma original	Inglés
Supervisor	Roser Tolra Perez (Tutor/a)