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Completing the picture of regulation of terpenoid indole alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus

English title Completing the picture of regulation of terpenoid indole alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus
Applicant Colinas Martinez Maite Felicitas
Number 177831
Funding scheme Advanced Postdoc.Mobility
Research institution Department Plant Systems Biology University of Ghent/VIB
Institution of higher education Institution abroad - IACH
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.02.2018 - 31.07.2019
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All Disciplines (2)

Discipline
Molecular Biology
Botany

Keywords (5)

Jasmonate; Transcription factors; Terpenoid indole alkaloids; Catharanthus roseus; Plant specialized metabolism

Lay Summary (German)

Lead
Die Heilpflanze Madagaskar-Immergrün (Catharanthus roseus) ist die einzige kommerzielle Quelle für die Chemotherapeutika Vinblastin und Vincristin. Diese Stoffe gehören zur Gruppe der Terpenoid Indolalkaloide von denen diese Spezies Verschiedenste in einem aufwendigen und nicht vollständig bekannten Biosyntheseweg in verschiedenen spezialisierten Zelltypen herstellt. Die Mechanismen, welche diesen Biosyntheseweg regulieren, insbesondere welche die Zellspezifizität ermöglichen, sind nur teilweise bekannt. Dieses Anschlussprojekt zielt darauf ab, die fehlenden Mechanismen aufzudecken.
Lay summary

Die Heilpflanze Catharanthus roseus produziert verschiedene sekundäre Pflanzenstoffe, unter anderem Terpenoid Indolalkaloide, wichtige Abwehrstoffe gegen Herbivore oder Phytopathogene. Die zu dieser Stoffgruppe gehörenden Metabolite Vinblastin und Vincristin sind aufgrund ihrer zytostatischen Wirkung  wichtige Medikamente in der Krebschemotherapie.

Der Biosyntheseweg dieser Stoffe inklusive der beteiligten Intermediate und Enzyme ist zwar in weiten Teilen, jedoch nicht vollständig aufgeklärt. Die Stoffwechselschritte finden in verschiedenen Zelltypen statt, was durch eine zelltypspezifische Expression der beteiligten Biosynthesegene erreicht wird. Es sind zwar einige Transkriptionsfaktoren bekannt, welche Teile des Biosyntheseweges kontrollieren, jedoch ist nicht bekannt welche Faktoren die zelltypspezifische Genexpression kontrollieren. Des Weiteren ist vollständig unbekannt welche Faktoren die späten Biosyntheseschritte hin zu Vinblastin und Vincristin kontrollieren.

Während meines Early Postdoc.Mobility Stipendiums konnten Methoden etabliert und Daten gesammelt werden, die uns nun ermöglichen die bisher fehlenden Regulationsfaktoren zu identifizieren. Diese Faktoren sind möglicherweise in anderen Pflanzenarten erhalten, so dass die gewonnen Erkenntnisse auch für andere Pflanzen und Biosynthesewege von Wichtigkeit sein könnten. Darüber hinaus könnte durch die aufgedeckten Mechanismen in der Zukunft auch die Ausbeute der bisher sehr gering konzentrierten pharmakologisch wirksammen Stoffe Vinblastin und Vincristin positiv beeinflusst werden.

Direct link to Lay Summary Last update: 18.12.2017

Responsible applicant and co-applicants

Publications

Publication
Subfunctionalization of Paralog Transcription Factors Contributes to Regulation of Alkaloid Pathway Branch Choice in Catharanthus roseus
Colinas Maite, Pollier Jacob, Vaneechoutte Dries, Malat Deniz G., Schweizer Fabian, De Milde Liesbeth, De Clercq Rebecca, Guedes Joana G., Martínez-Cortés Teresa, Molina-Hidalgo Francisco J., Sottomayor Mariana, Vandepoele Klaas, Goossens Alain (2021), Subfunctionalization of Paralog Transcription Factors Contributes to Regulation of Alkaloid Pathway Branch Choice in Catharanthus roseus, in Frontiers in Plant Science, 12, 1-20.
Metabolic editing: small measures, great impact
Swinnen Gwen, Goossens Alain, Colinas Maite (2019), Metabolic editing: small measures, great impact, in Current Opinion in Biotechnology, 59, 16-23.
Jasmonate and auxin perception: how plants keep F-boxes in check
Williams Clara, Fernández-Calvo Patricia, Colinas Maite, Pauwels Laurens, Goossens Alain (2019), Jasmonate and auxin perception: how plants keep F-boxes in check, in Journal of Experimental Botany, 70(13), 3401-3414.

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
165055 Regulation of tissue compartmentalization of terpenoid indole alkaloid biosynthesis in Catharanthus roseus 01.05.2016 Early Postdoc.Mobility

Abstract

The medicianal plant Catharanthus roseus produces compounds belonging to the class of terpenoid indole alkaloids (TIAs) that are thought to confer herbivore resistance. For the pharmaceutical industry these plants are essential as they remain the only source for the TIAs vinblastine and vincristine that are used in anti-cancer chemotherapy. Interestingly, their biosynthesis is highly compartmentalized in a cell type-specific manner with the multiple pathway steps taking place in different specialized cell types. This is mediated at the transcriptional level by the cell-type specific expression of specific subsets of TIA biosynthesis genes. Recently, transcription factors involved in the induction of TIA biosynthesis genes have been described. Although their discovery has contributed to our understanding of TIA pathway regulation main questions remain unanswered.Firstly, these transcription factors do not fully explain the cell-type specific expression of the TIA biosynthesis genes as they are not strictly expressed in a cell type-specific manner themselves. Cell-type specific mechanisms must therefore exist, but have so far not been discovered. Further, it is unknown what determines the development and the identity of the involved specialized cell types. Despite specialized cells being common in various plant species they remain generally poorly investigated.Secondly, only earlier steps of TIA biosynthesis are induced by the described transcription factors. The regulation of later steps of TIA biosynthesis remains entirely unknown. Identifying potential inducers of later steps would be particularly interesting for the production of pharmaceutically important TIAs in Catharanthus roseus cell suspension cultures in which TIA biosynthesis is usually transcriptionally inactive.The proposed project aims to complete our understanding of these aspects of TIA biosynthesis regulation. To achieve this we have now all the necessary tools in hand.
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