Baumann, Dorian Alexander (2018). Function of triterpenes in Arabidopsis thaliana and their anti-inflammatory activities in mammalian hepatoma cells. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Plant triterpenes belong to the class of secondary metabolites. They encompass a highly diverse range of ring structures consisting of thirty carbon atoms which can be enzymatically modified. Importantly, genes for their biosynthesis are arranged in epigenetically regulated gene clusters. However, very little is known about the physiological function of triterpenes in plants, but some triterpenes fulfill specialized roles in plant defense and growth. Two examples for triterpenes are marneral and thalianol. Marneral and thalianol are mainly synthesized in the roots of young seedlings. Accumulation of marneral or thalianol leads to a dwarfed phenotype in Arabidopsis thaliana, but their cellular function is unknown. Furthermore, other triterpenes like betulin exhibit anti-inflammatory properties in mammalian cells. However, the pharmacological potential of most triterpenes has not yet been fully investigated. Therefore, the aim of this thesis was to shed a light on the physiological function of triterpenes in plants and to elucidate their potential in triggering the anti-inflammatory Nrf2 EpRE pathway in animal cells. The Nrf2-EpRE pathway has become an important drug target in pharmacological research topics. For elucidating anti-inflammatory activities of triterpenes, a reporter-gene-assay was performed, in which murine hepatoma cells were treated with triterpene containing Rhodobacter capsulatus extracts. Using bacterial extracts containing recombinant synthesized triterpenes instead of fully purified compounds had a time-saving advantage by skipping purification protocols. As a result, no new anti-inflammatory triterpenes in bacterial extracts were identified, probably due to low triterpene concentrations or due to non-bioactive compounds. However, an anti-inflammatory activity of a non-triterpene metabolite, prodigiosin, in bacterial extracts was demonstrated. This proof of concept opens new opportunities for future studies on large-scale compound screenings of recombinant synthesized metabolites in bacterial extracts. The physiological functions of triterpenes in Arabidopsis thaliana were investigated using the example of marneral and thalianol. Arabidopsis marneral synthase 1 (mrn1) and thalianol synthase (thas) knock-out lines were crossed and their growth phenotype and their response to abiotic and biotic stress were analyzed. Furthermore, a putative linkage of marneral/thalianol and growth hormones was investigated. Combinatorial loss of marneral and thalianol in Arabidopsis did not lead to an altered plant growth. Nevertheless, the results provide evidence for a positive correlation between marneral and thalianol and the phytosulfokine-α mediated root growth. Furthermore, lacking marneral and thalianol led to a slightly increased defense against pathogenic root-associated microbiota. Whether slightly increased root defense in mrn1*thas is connected to impaired phytosulfokine-α signaling has to be investigated in future studies. Although it was tested, a function for marneral and thalianol in jasmonate signaling and abiotic stress response could not be proven. This thesis provides a new approach for screenings of anti-inflammatory compounds in the context of complex bacterial extracts. It also delivers first evidence for a function of marneral and thalianol in phytosulfokine-α signaling and a slightly negative influence on plant defense for both triterpenes.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
AbstractLanguage
Pflanzliche Triterpene zählen zu der Gruppe der Sekundärmetabolite. Sie umfassen eine Vielzahl von cyclischen Verbindungen aus dreißig Kohlenstoffatomen, die zum Teil enzymatisch modifiziert sind. Bemerkenswert ist die Bildung von Gen-Clustern aus Genen zur Triterpensynthese, welche epigenetisch reguliert werden können. Darüber hinaus ist wenig über ihre physiologische Funktionsweise in der Pflanze bekannt, aber sie scheinen sehr spezialisierte Funktionen in der pflanzlichen Immunantwort und dem Wachstum einzunehmen. Zwei Beispiele für pflanzliche Triterpene sind Marneral und Thalianol. Diese werden hauptsächlich in Wurzeln junger Keimlinge synthetisiert. Die Akkumulation von Marneral oder Thalianol führt in Arabidopsis thaliana zum Zwergwuchs, allerdings ist ihre exakte Funktion bisher unbekannt. Des Weitern weisen andere Triterpene, wie Betulin, entzündungshemmende Eigenschaften in tierischer Zellkultur auf. Dennoch ist das pharmakologische Potential der meisten Triterpene nicht vollständig entschlüsselt. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Untersuchung der physiologischen Funktion von Triterpenen in Pflanzen, sowie der Suche nach neuen Triterpenen mit entzündungshemmenden Eigenschaften im Nrf2-EpRE-Signalweg in tierischer Zellkultur. Der Nrf2-EpRE-Signalweg ist ein relevantes Wirkstoffziel in vielen pharmakologischen Studien. Um die entzündungshemmenden Eigenschaften von Triterpenen zu untersuchen, wurden Reporter-Gen-Studien in Mausleber-Tumorzellen durchgeführt, welche mit triterpen-enthaltenen Rhodobacter capsulatus Extrakte behandelt wurden. Untersuchungen an bakteriellen Extrakten die heterolog synthetisierte Triterpene enthalten bieten gegenüber aufgereinigten Wirkstoffen eine Zeitersparnis durch den Verzicht von komplexen Aufreinigungsschritten. Im Ausgang der Experimente wurden keine neuen Triterpene mit entzündungshemmenden Eigenschaften in bakteriellen Extrakten identifiziert. Dieses Resultat ist wahrscheinlich auf eine zu geringe Wirkstoffkonzentration oder auf inaktive Substanzen zurückzuführen. Dennoch konnten entzündungshemmende Eigenschaften in einem anderen Sekundärmetabolit namens Prodigiosin, welches kein Triterpen ist, in bakteriellen Extrakten nachgewiesen werden. Zukünftig ermöglicht diese Anwendung eine neue Möglichkeit für ausgedehnte Untersuchungen weiterer Metaboliten im Hintergrund bakterieller Expressionssysteme. Die physiologischen Funktionen pflanzlicher Triterpene in Arabidopsis thaliana wurde am Beispiel von Marneral und Thalianol untersucht. Arabidopsis marneral synthase 1 (mrn1) und thalianol synthase (thas) Gen-Knockout-Mutanten wurden gekreuzt und ihr Wachstumsphänotyp, sowie ihre Reaktion auf abiotischen und biotischen Stress wurden erforscht. Zudem wurde eine mögliche Vernetzung von marneral und thalianol zu pflanzlichen Hormonsignalwegen studiert. Ein kombinierter Verlust von Marneral und Thalianol in Arabidopsis führte nicht zu einem veränderten Wachstumsphänotyp. Jedoch geben die erzielten Resultate Hinweise auf eine positive Korrelation zum phytosulfokin-α-abhängigen Wurzelwachstum. Des Weiteren führte der Verlust der beiden Gene zu einer leicht erhöhten Abwehr gegenüber wurzel-assoziierten mikrobiellen Pathogenen. Ob diese leicht erhöhte Abwehr in der Wurzel von mrn1*thas im Zusammenhang mit dem gestörten Phytosulfokin-α-Signalweg steht, sollte in zukünftigen Untersuchungen geklärt werden. Obwohl dies getestet wurde, konnte keine Funktion von Marneral und Thalianol im Zusammenhang mit dem Jasmonat-Signalweg und der abiotischen Stressantwort beobachtet werden. Zusammengefasst bietet diese Arbeit einen neuen Ansatz in der tierischen Zellkultur zur Untersuchung entzündungshemmender Moleküle in bakteriellen Extrakten. Außerdem liefert sie neue Erkenntnisse für eine physiologische Funktion von Marneral und Thalianol in der pflanzlichen Immunantwort und dem Phytosulfokin-α-Signalweg.German
Creators:
CreatorsEmailORCID
Baumann, Dorian Alexanderdorian.baumann@hhu.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-84982
Subjects: Life sciences
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
Triterpene; Triterpenes; Triterpenoids; Marneral; Thalianol; Nrf2; EpRE; Cancer; Arabidopsis thaliana; Rhodobacter capsulatus; microbiome; root growth; plant development; T-DNA; Prodigiosin; anti-inflammatoryEnglish
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Botanical Institute
Language: English
Date: 17 March 2018
Date of oral exam: 15 May 2018
Referee:
NameAcademic Title
Kopriva, StanislavProf. Dr.
Gigolashvili, TamaraPD Dr.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8498

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  • Function of triterpenes in Arabidopsis thaliana and their anti-inflammatory activities in mammalian hepatoma cells. (deposited 27 Aug 2018 12:26) [Currently Displayed]

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