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Plant Journal 2020-Oct

A promiscuous CoA ligase provides benzoyl-CoA for xanthone biosynthesis in Hypericum

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Poonam Singh
Lutz Preu
Till Beuerle
David Kaufholdt
Robert Hänsch
Ludger Beerhues
Mariam Gaid

Schlüsselwörter

Abstrakt

Benzoic acid-derived compounds, such as polyprenylated benzophenones and xanthones, attract the interest of scientists due to challenging chemical structures and diverse biological activities. The genus Hypericum is of high medicinal value, as exemplified by H. perforatum. It is rich in benzophenone and xanthone derivatives, the biosynthesis of which requires the catalytic activity of benzoate-CoA ligase (BZL), which activates benzoic acid to benzoyl-CoA. Despite remarkable research so far done on benzoic acid biosynthesis in planta, all previous structural studies of BZL genes and proteins are exclusively related to benzoate-degrading microorganisms. Here, a transcript for a plant acyl-activating enzyme (AAE) was cloned from xanthone-producing H. calycinum cell cultures using transcriptomic resources. An increase in the HcAAE1 transcript level preceded xanthone accumulation after elicitor treatment, as previously observed with other pathway-related genes. Subcellular localization of reporter fusions revealed the dual localization of HcAAE1 to cytosol and peroxisomes owing to a type 2 peroxisomal targeting signal (PTS2). This result suggests the generation of benzoyl-CoA in Hypericum by the CoA-dependent non-β-oxidative route. A luciferase-based substrate specificity assay and the kinetic characterization indicated that HcAAE1 exhibits promiscuous substrate preference, with benzoic acid being the sole aromatic substrate accepted. Unlike 4-coumarate-CoA ligase (4CL) and cinnamate-CoA ligase (CNL) enzymes, HcAAE1 did not accept 4-coumaric and cinnamic acids, respectively. The substrate preference was corroborated by in silico modelling, which indicated valid docking of both benzoic acid and its AMP-intermediate in the HcAAE1/BZL active site cavity.

Keywords: Hypericum; Acyl-activating enzymes; Benzoate-CoA ligase; Subcellular compartmentation; Xanthones.

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