Identification and characterization of the aminoadipic semialdehyde dehydrogenase enzyme in plants

O amino ácido lisina é catabolizado em plantas e animais pela via da sacaropina. Nesta via,a lisina é convertida a α-aminoadipato- δ-semialdeído (AASA) pela ação da enzima bifuncional lisina-cetoglutarato redutase/sacaropina desidrogenase (LKR/SDH). O intermediário AASA é então convertido a α-aminoadipato (AAA) pela enzima α aminoadipato - δ-semialdeído desidrogenase (AASADH). A LKR/SDH já foi bem caracterizada em plantas e animais, mas a atividade enzimática bem como o possível papel fiiológico da AASADH ainda não foi demonstrada em plantas. A via da sacaropina, além do seu importante papel na regulação dos níveis de lisina, está também envolvida em processos de resposta a estresses. Este trabalho está dividido em dois capítulos. No capítulo I descrevemos a identificação do gene que codifica a AASADH em milho e a caracterização da atividade enzimática da enzima em endosperma imaturo de milho. Mostramos que a AASADH é codificada pelo gene Aldh7b1, um gene muito conservado em eucariotos. A enzima codificada pelo gene Aldh7b1 foi parcialmente purificada de endosperma imaturo de milho e através de eletroforese em condições denaturantes e cromatografia em coluna de gel filtração mostramos que a enzima, na sua forma nativa, apresenta-se como um tetrâmero constituído por quatro subunidades de 55 kDa. A AASADH isolada de endosperma imaturo de milho converte o semi-aldeido AASA em AAA. O produto da reação catalisada pela AASADH foi confirmado por cromatografia em camada delgada. No capítulo II discutimos o papel da via sacaropina no desenvolvimento da semente e na resposta de planas jovens de milho a estresses abióticos. As enzimas LKR/SDH e AASADH são co-expressos nas células das camadas da sub-aleurona do endosperma de milho nas fases intermediarias do desenvolvimento. No entanto, embora a proteína AASADH seja produzida no endosperma e no embrião de sementes imaturas e nos tecidos de plantas jovens, a proteína LKR/SDH é detectada unicamente nas células da subaleurona das sementes imaturas. A AASADH mostrou atividade máxima a pH 7,4 e Kms para AASA e NAD+ na ordem de micromolar. Em endosperma imaturo a via da sacaropina é induzida por lisina e reprimida por estresse salino, enquanto prolina e ácido pipecólico são significativamente reprimidos por lisina. Em coleóptiles jovens as enzimas LKR/SDH e AASADH são induzidas transcricionalmente por estresses salino, osmótico e oxidativo, mas enquanto que a proteína AASADH acumula nos tecidos sob estresse, a proteína LKR/SDH não é detectada. Nossos resultados indicam que os genes que codificam as enzimas LKR/SDH e AASADH são co-expressos a nível transcricional, mas não a nível traducional. A ausência da proteína LKR/SDH em plantas jovens sob estresses e os altos níveis do seu transcrito serem detectados mostra um desacoplamento transcrição/tradução que podem ter consequências regulatórias ainda desconhecidas.Lysine is catabolized in developing plant tissues through the saccharopine pathway. In this pathway, lysine is converted into α-aminoadipate δ-semialdehyde (AASA) by the bifunctional enzyme lysine-ketoglutarate reductase/saccharopine dehydrogenase (LKR/SDH). AASA is then converted into α-aminoadipate (AAA) by aminoadipic semialdehyde dehydrogenase (AASADH). LKR/SDH was characterized in higher eukaryotes, but AASADH has not been demonstrated in plants. Furthermore, studies have shown that besides the degradation of lysine, the saccharopine pathway is involved in stress response processes in plants, animals and bacteria. This work was divided into two chapters. Chapter I describes the identification of the gene encoding AASADH and the partial purification and characterization of the enzyme from developing maize endosperm. The enzyme AASADH is encoded by the Aldh7b1 gene, a gene highly conserved among eukaryotes. The enzyme partially purified from developing endosperm and analyzed by SDS-PAGE and gel filtration chromatography behaved, in its native form, as a tetramer constituted by four monomers of 55 kDa. The enzymatic convertion of AASA into AAA was verified by thin layer chromatography. In Chapter II the role of the saccharopine pathway in seed development and stress responses is discussed. LKR/SDH and AASADH are co-expressed in the sub-aleurone cell layers of the developing endosperm; however, although AASADH protein is produced in reproductive and vegetative tissues, the LKR/SDH protein is detectable only in the developing seeds. AASADH showed an optimum pH of 7.4 and Kms for AASA and NAD+ in the micromolar range. In the developing endosperm the saccharopine pathway is induced by exogenous lysine and repressed by salt stress, whereas proline and pipecolic acid synthesis are significantly repressed by lysine. In young coleoptiles the LKR/SDH and AASADH transcriptions are induced by abiotic stress, but while the AASADH protein accumulates in stressed tissues, LKR/SDH does not. Our results indicate that the genes encoding the LKR/SDH and AASADH enzymes are co-expressed at the transcriptional level, but not the translational level. The absence of LKR/SDH protein in young plants under stress despite of the high levels of transcripts being detected suggests a decoupling transcription/translation that may have regulatory consequences yet unknown