Mit Patchwork zum Cholesterin

Der pflanzliche Cholesterinstoffwechsel hat sich vermutlich aus dem älteren Syntheseweg für Phytosterine entwickelt. Einige der beteiligten Enzyme arbeiten in beiden Stoffwechselwegen.  

Wer auf seinen Cholesterinspiegel achten muss, der sollte ordentlich beim Salatbuffett zugreifen (aber wirklich beim Salat, nicht bei den Schinkenstreifen oder den Fetakäsewürfeln). Denn Salatblätter, Gurkenscheiben oder Selleriestängel enthalten nur sehr wenig Cholesterin. Ganz und gar cholesterinfrei sind Pflanzen jedoch nicht. Besonders Nachtschattengewächse produzieren Cholesterin in höheren Mengen. So sind zum Beispiel auch die Giftstoffe wie Solanin aus Kartoffeln oder Tomatin aus Tomaten aus Cholesterin abgeleitete Verbindungen.  

Jetzt hat ein internationales Forscherteam herausgefunden, wie die Cholesterin-Synthese in Pflanzen abläuft. Dieses Wissen könnte dabei helfen, zukünftig Pflanzen oder Algen gezielt zur Produktion von Molekülen zu nutzen, die von Cholesterin abgeleitet sind. Dazu zählen zum Beispiel Pro-Vitamin D3 oder Diosgenin, das als Ausgangsstoff für orale Verhütungsmittel dient.  

„Pflanzen besitzen ein bisher zum großen Teil unbeachtetes Reservoir komplexer Sekundärmetabolite, die für die menschliche Gesundheit oder andere Anwendungen hochinteressant sein können.“, betont der Biologe Thomas Bach von der Universität Straßburg in einem Kommentar zur Studie.  

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Ein Enzym diente als Köder  

An der pflanzlichen Cholesterin-Synthese sind zwölf Enzyme beteiligt. Sie verwandeln den Vorläufer, das Molekül 2,3-Oxydosqualen, in zehn Reaktionen zu Cholesterin. Dieses Vorläufermolekül kommt noch an anderer Stelle zum Einsatz. 2,3-Oxydosqualen ist auch Ausgangsstoff für die Synthese von Phytosterinen. Phytosterine sind wichtiger Bestandteil der pflanzlichen Zellmembran (in tierischen Zellen übernimmt Cholesterin die gleiche Funktion). Auch die Pflanzenhormone, die Wachstum und Entwicklung steuern (Brassinosteroide), werden aus Phytosterinen gebildet.  

In den letzten drei Jahren wurden bereits zwei Enzyme des pflanzlichen Cholesterin-Stoffwechsels entdeckt. Eins davon heißt SSR2 und diente den Forschern in ihrer aktuellen Studie als Köder. In einer Ko-Expressionsanalyse fischten sie in unterschiedlichen Geweben von Tomatenpflanzen nach allen Transkripten, die gleichzeitig mit SSR2 exprimiert werden und demzufolge auch am gleichen Stoffwechselweg beteiligt sein könnten. Dabei fanden sie 117 Transkripte. 13 davon stehen mit dem Steroid-Metabolismus in Verbindung.  

Auch die Natur mag Patchwork  

Anhand von Sequenzhomologien identifizierten die Forscher die Enzyme, die vermutlich von diesen Genen kodiert werden. Auch über die Funktion dieser Enzyme ließ sich mutmaßen. Daraus entwickelten die Wissenschaftler ein Modell des gesamten Cholesterin-Stoffwechselwegs in Pflanzen: zehn Schritte, zwölf Enzyme, fertig ist das Cholesterin.  

In weiteren klassischen biochemischen Untersuchungen zeigten die Forscher genau auf, welche Funktion die einzelnen Enzyme haben. Sie konnten beweisen, dass die Stoffwechselwege für Cholesterin und Phytosterin an mehreren Punkten überlappen. Vier der zwölf Enzyme sind exakt gleich, sie arbeiten an beiden Synthesewegen mit.  

Die anderen Enzyme der Cholesterinsynthese haben sich wahrscheinlich aus den Enzymen des Phytosterin-Stoffwechsels entwickelt. „Unsere Ergebnisse zeigen eindrücklich, dass unter Beibehaltung des gleichen Ausgangsmoleküls ein komplett neuer, mehrstufiger Stoffwechselweg entstanden ist“, schreiben die Autoren.  

Dieses evolutionäre Szenario stütze die sogenannte Patchwork-Hypothese, die wie folgt lautet:

• 1. Ein Enzym mit niedriger Substrataffinität bindet mehrere Substrate und bildet daraus mehrere Produkte.
• 2. Das Enzym verdoppelt sich und die beiden Enzyme entwickeln sich auseinander; sie werden substratspezifischer und bilden separate Stoffwechselwege.
• 3. Weitere Duplikationen führen zu immer spezifischeren Enzymen und Stoffwechselwegen.  

Am Ende dieser Entwicklung stehen zwei komplett unterschiedliche Stoffwechselwege, die jedoch immer noch einige Enzyme teilen. So wie bei der Synthese von Cholesterin und Phytosterinen.