Kurzdefinition
Wissenschaftliche Beschreibung
Kurzdefinition
Terpensynthasen (TPS) sind die Schlüsselenzyme der Terpenoid-Biosynthese in Cannabis sativa. Sie katalysieren die Umwandlung der Prenyl-Pyrophosphat-Vorläufer (GPP für C₁₀, FPP für C₁₅, GGPP für C₂₀) zu der enormen strukturellen Vielfalt von Monoterpenen, Sesquiterpenen und Diterpenen. Booth et al. (2020, PMC7479917) identifizierten 33 CsTPS-Sequenzen im Cannabis-Genom – eine der gründlichsten Katalogisierungen der TPS-Genfamilie einer Pflanze.
Wissenschaftliche Beschreibung
TPS-Genfamilie-Architektur: Pflanzliche TPS-Gene werden phylogenetisch in sieben Klassen eingeteilt:
| Klasse | Substrat | Produkte | Cannabis-Vertreter |
|---|---|---|---|
| TPS-a | FPP (C₁₅) | Sesquiterpene | β-Caryophyllen-Synthase, Humulen-Synthase |
| TPS-b | GPP (C₁₀) | Monoterpene | Myrcen-Synthase, Linalool-Synthase, Pinen-Synthase |
| TPS-b2 | FPP+GPP | Mono+Sesquiterpene | Bisabolen-Synthase (atypisch) |
| TPS-c | GGPP (C₂₀) | Diterpene (Copalyl-PP) | Kopalat-Diphosphat-Synthase |
| TPS-e | GGPP | Diterpene (Kaurene) | Kaurene-Synthase-Homolog |
| TPS-f | GPP/FPP | Nerylpyrophosphat/Linalool | Einige Cannabis-Enzyme |
| TPS-g | GPP | Acyclische Monoterpene | Myrcen-dominant in Cannabis |
Cannabis-spezifische 33 CsTPS: Booth & Bohlmann (2020) identifizierten 33 funktional relevante CsTPS-Gene. Davon: - ~14 TPS-a (Sesquiterpene): Schwerpunkt BCP, Humulen, Nerolidol - ~10 TPS-b (Monoterpene): Myrcen, Pinen, Limonen, Linalool - ~4 TPS-b2 (crossover Sesquiterpen-Aktivität) - ~5 TPS-c/e/f (Diterpen)
Enzymstruktur: TPS haben eine charakteristische Doppeldomänen-Struktur: - N-terminal α-Domäne: Bindet das Pyrophosphat-Substrat, legt Substratspezifität fest - C-terminal αβ-Domäne: Enthält das aktive Zentrum mit DDXXD-Motiv, koordiniert Mg²⁺-Ionen, führt Carbokation-Kaskade durch
Katalytischer Mechanismus: Mg²⁺ koordiniert die Pyrophosphat-Abgangsgruppe → Carbokation-Bildung → Intramolekulare Reaktionskaskade (Cyclisierungen, Umlagerungen, Protonentransfers) → Produktfreisetzung durch Deprotonierung oder Wasser-Anlagerung. Die Regioselektivität und Stereoselektivität der Carbokation-Reaktion bestimmt das finale Terpen-Produkt.
TPS-b2 Anomalie in Cannabis: Cannabis TPS-b2-Enzyme (z.B. CsTPS-b2a) akzeptieren überraschenderweise sowohl GPP (C₁₀) als auch FPP (C₁₅) als Substrat und produzieren Sesquiterpene (α-Bisabolen, (E)-β-Farnesene) – eigentlich untypisch für die TPS-b-Klasse, die normalerweise nur GPP verarbeitet. Diese Substrate-Flexibilität ist in anderen Pflanzen selten beschrieben.
Terpenprofil als Genausdruck: Das charakteristische Terpenprofil einer Cannabis-Sorte ist der direkte Ausdruck ihrer TPS-Genausstattung, ihrer Promotor-Aktivitäten und der enzymatischen Kinetik. Sorten-spezifische TPS-Kopienzahlen und -Expressionsmuster erklären die intersortenspezifische Terpen-Variabilität.
Stress-Induktion: Wundreiz (mechanisch), Pathogenbefall (Botrytis) und UV-B-Stress induzieren die Expression bestimmter TPS-Gene (insbesondere TPS-a-Sesquiterpen-Synthasen für Abwehr). Diese induzierten TPS können das Terpen-Profil kurzfristig stark verschieben.
Biologische Auswirkungen
- Chemische Diversität: 33 CsTPS-Gene ermöglichen die Produktion eines enorm diversen Terpen-Spektrums aus wenigen Prenyl-Vorläufern.
- Abwehr: Stress-induzierte Sesquiterpen-Synthasen produzieren insekten-repellente und antimikrobielle Terpene.
- Chemovar-Differenzierung: Die TPS-Genausstattung ist die molekulare Basis der Sortenvielfalt im Terpenbereich.
- Evolutions-Plastizität: Cannabis TPS zeigen hohe funktionale Plastizität (TPS-b2-Anomalie), was auf schnelle Enzymevolution hindeutet.
Anbau-Relevanz
- Gezielte Sorten-Selektion: TPS-Genotypisierung (RNASeq, amplicon-Sequenzierung) ermöglicht Selektion auf definierte Terpenprofil-Eigenschaften.
- Stressmanagement: UV-B-Stressbehandlung kann TPS-Expressionsmuster verschieben; gezielt eingesetzt kann dies Terpen-Profile qualitativ modifizieren.
- Biotechnologie: Überexpression spezifischer CsTPS-Gene in heterologen Systemen (Hefe, E. coli) ermöglicht fermentative Terpen-Produktion.
- QC-Marker: TPS-Expressionsprofile (per RNASeq aus Trichomen) korrelieren mit GC-MS-Terpen-Profilen – potential für non-destructive quality control.
Verwandte Begriffe
GPP, FPP, GGPP, Carbokation, DDXXD-Motiv, Mg²⁺-Aktivierung, TPS-a, TPS-b, TPS-b2, CsTPS-Genfamilie, Monoterpene, Sesquiterpene, Diterpene, Booth 2020, MEP-Weg, MVA-Weg
Quellen
- Booth JK, Bohlmann J (2020): Terpenes in Cannabis sativa – from plant genome to humans. Plant Sci 294:110457. PMCID: PMC7479917
- Booth JK et al. (2017): Transcriptome of terpene synthases in Cannabis. PLoS ONE 12(3):e0173911. PMCID: PMC5371325
- Degenhardt J et al. (2009): Monoterpene and sesquiterpene synthases. Phytochemistry 70(15-16):1621-1637
Quellen
- https://doi.org/10.3390/molecules23081946
- Morales P et al. (2018): Molecular targets of cannabinoids. Molecules 23(8):1946. doi:10.3390/molecules23081946