Plant phytohormone pathways are regulated by an intricate network of signaling components and modulators, many of which still remain unknown. Here, we report a forward chemical genetics approach for the identification of functional SA agonists in Arabidopsis thaliana that revealed Neratinib (Ner), a covalent pan-HER kinase inhibitor drug in humans, as a modulator of SA signaling. Instead of a protein kinase, chemoproteomics unveiled that Ner covalently modifies a surface-exposed cysteine residue of Arabidopsis epoxide hydrolase isoform 7 (AtEH7), thereby triggering its allosteric inhibition. Physiologically, the Ner application induces jasmonate metabolism in an AtEH7-dependent manner as an early response. In addition, it modulates PATHOGENESIS RELATED 1 (PR1) expression as a hallmark of SA signaling activation as a later effect. AtEH7, however, is not the exclusive target for this physiological readout induced by Ner. Although the underlying molecular mechanisms of AtEH7-dependent modulation of jasmonate signaling and Ner-induced PR1-dependent activation of SA signaling and thus defense response regulation remain unknown, our present work illustrates the powerful combination of forward chemical genetics and chemical proteomics for identifying novel phytohormone signaling modulatory factors. It also suggests that marginally explored metabolic enzymes such as epoxide hydrolases may have further physiological roles in modulating signaling.

Enzyme-based synthetic chemistry provides a green way to synthesize industrially important chemical scaffolds and provides incomparable substrate specificity and unmatched stereo-, regio-, and chemoselective product formation. However, using biocatalysts at an industrial scale has its challenges, like their narrow substrate scope, limited stability in large-scale one-pot reactions, and low expression levels. These limitations can be overcome by engineering and fine-tuning these biocatalysts using advanced protein engineering methods. A detailed understanding of the enzyme structure and catalytic mechanism and its structure–function relationship, cooperativity in binding of substrates, and dynamics of substrate–enzyme–cofactor complexes is essential for rational enzyme engineering for a specific purpose. This Review covers all these aspects along with an in-depth categorization of various industrially and pharmaceutically crucial bisubstrate enzymes based on their reaction mechanisms and their active site and substrate/cofactor-binding site structures. As the bisubstrate enzymes constitute around 60% of the known industrially important enzymes, studying their mechanism of actions and structure–activity relationship gives significant insight into deciding the targets for protein engineering for developing industrial biocatalysts. Thus, this Review is focused on providing a comprehensive knowledge of the bisubstrate enzymes’ structure, their mechanisms, and protein engineering approaches to develop them into industrial biocatalysts.

Pflanzen müssen gegen vielfältige biotische und abiotische Umwelteinflusse eine Abwehr aufbauen. Aber gleichzeitig müssen sie wachsen und sich vermehren. Jasmonate sind neben anderen Hormonen ein zentrales Signal bei der Etablierung von Abwehrmechanismen, aber auch Signal von Entwicklungsprozessen wie Blüten‐ und Trichombildung, sowie der Hemmung von Wachstum. Biosynthese und essentielle Komponenten der Signaltransduktion von JA und seinem biologisch aktiven Konjugat JA‐Ile sind gut untersucht. Der Rezeptor ist ein Proteinkomplex, der “JA‐Ile‐Wahrnehmung” mit proteasomalem Abbau von Repressorproteinen verbindet. Dadurch können positiv agierende Transkriptionsfaktoren wirksam werden und vielfältige Genexpressionsänderungen auslösen. Dies betrifft die Bildung von Abwehrproteinen, Enzymen der JA‐Biosynthese und Sekundärstoffbildung, und Proteinen von Signalketten und Entwicklungsprozessen. Die Kenntnisse zur JA‐Ile‐Wirkung werden in Landwirtschaft und Biotechnologie genutzt.

The parathyroid hormone (PTH) is an 84-residue peptide, which regulates the blood Ca2+ level via GPCR binding and subsequent activation of intracellular signaling cascades. PTH is posttranslationally phosphorylated in the parathyroid glands; however, the functional significance of this processes is not well characterized. In the present study, mass spectrometric analysis revealed three sites of phosphorylation, and NMR spectroscopy assigned Ser1, Ser3, and Ser17 as modified sites. These sites are located at the N-terminus of the hormone, which is important for receptor recognition and activation. NMR shows further that the three phosphate groups remotely disturb the α-helical propensity up to Ala36. An intracellular cAMP accumulation assay elucidated the biological significance of this phosphorylation because it ablated the PTH-mediated signaling. Our studies thus shed light on functional implications of phosphorylation at native PTH as an additional level of regulation.

Jasmonates are lipid-derived signals that mediate plant stress responses and development processes. Enzymes participating in biosynthesis of jasmonic acid (JA) (1, 2) and components of JA signaling have been extensively characterized by biochemical and molecular-genetic tools. Mutants of Arabidopsis and tomato have helped to define the pathway for synthesis of jasmonoyl-isoleucine (JA-Ile), the active form of JA, and to identify the F-box protein COI1 as central regulatory unit. However, details of the molecular mechanism of JA signaling have only recently been unraveled by the discovery of JAZ proteins that function in transcriptional repression. The emerging picture of JA perception and signaling cascade implies the SCFCOI1 complex operating as E3 ubiquitin ligase that upon binding of JA-Ile targets JAZ repressors for degradation by the 26S-proteasome pathway, thereby allowing the transcription factor MYC2 to activate gene expression. The fact that only one particular stereoisomer, (+)-7-iso-JA-l-Ile (4), shows high biological activity suggests that epimerization between active and inactive diastereomers could be a mechanism for turning JA signaling on or off. The recent demonstration that COI1 directly binds (+)-7-iso-JA-l-Ile (4) and thus functions as JA receptor revealed that formation of the ternary complex COI1-JA-Ile-JAZ is an ordered process. The pronounced differences in biological activity of JA stereoisomers also imply strict stereospecific control of product formation along the JA biosynthetic pathway. The pathway of JA biosynthesis has been unraveled, and most of the participating enzymes are well-characterized. For key enzymes of JA biosynthesis the crystal structures have been established, allowing insight into the mechanisms of catalysis and modes of substrate binding that lead to formation of stereospecific products.

Apocarotinoide werden durch hochspezifische Spaltungsreaktionen oxidativer Enzyme an den Doppelbindungen von Carotinoiden maßgeschneidert. Es können neue Chromophore entstehen, die zusätzliche Nuancen des gelb‐roten Farbspektrums eröffnen. Farblose C13‐Apocarotinoide können potente Duft‐ und Aromastoffe sein. Viele Apocarotinoidfunktionen mit Hormoncharakter sind lange bekannt (Abszisinsäure in Pflanzen, Trisporsäure in Pilzen, Retinsäure in Säugern). Eine neue Klasse von Apocarotinoid‐Pflanzenhormonen, die die Sprossverzweigung der Pflanzen mitbestimmen, wurde kürzlich als Strigolactone identifiziert. In ihrer Biosynthese wie auch in der von mykorrhizainduzierten C13/C14‐Apocarotinoiden treten mehrstufige aufeinanderfolgende Carotinoidspaltungsreaktionen auf. Das Wissen über Synthesewege und Funktionen von Apocarotinoiden eröffnet neue Perspektiven für Anwendungen im Zierpflanzenbau, bei der Bekämpfung parasitischer Unkräuter und in der Beeinflussung von Blütendüften und Fruchtaromen.

Die Lebensgemeinschaft mit Mykorrhizapilzen stellt Pflanzen mineralische Nährstoffe und Wasser zur Verfügung und gilt daher als evolutionäre Grundlage für die Entwicklung der Landpflanzen. Die heute weit verbreitete arbuskuläre Mykorrhiza (AM) ist insbesondere unter widrigen Bedingungen (Nährstoffmangel, Trocken‐, Salz‐ oder Schwermetallstress sowie Pathogenbefall) für die Pflanze von Nutzen. Der pilzliche AM‐Partner, der obligat auf die Interaktion angewiesen ist, wird im Gegenzug mit Kohlenhydraten versorgt. Der Artikel beschreibt den aktuellen Stand der Forschung bezüglich der Etablierung und Regulation der AM durch die Pflanze. Es werden die frühen Erkennungssignale und die nachfolgende Wegbereitung der Pflanze für den eindringenden Pilz, die Kohlenhydratversorgung des AM‐Pilzes, wie auch die Limitierung der pilzlichen Infektionen mittels Autoregulation und die Rolle der Phytohormone für eine funktionelle und ausgeglichene Symbiose behandelt.

Indole-3-acetic acid (IAA or auxin) is essential throughout the life cycle of a plant. It controls diverse cellular processes, including gene expression. The hormone is perceived by a ubiquitin protein ligase (E3) and triggers the rapid destruction of repressors, called Aux/IAA proteins. The first structural model of a plant hormone receptor illustrates how auxin promotes Aux/IAA substrate recruitment by extending the hydrophobic protein-interaction surface. This work establishes a novel mechanism of E3 regulation by small molecules and promises a novel strategy for the treatment of human disorders associated with defective ubiquitin-dependent proteolysis.

Pflanzen und bestimmte Pilze haben im Laufe ihrer Entwicklungsgeschichte „gelernt”︁, in einer engen Assoziation im Boden, der Mykorrhiza, eine äußerst erfolgreiche Symbiose miteinander einzugehen. Arbuskuläre Mykorrhizapilze helfen Pflanzen sich auf nährstoffarmen Böden ausreichend mit Wasser, Nährsalzen und Spurenelementen zu versorgen und fördern entscheidend Diversität und Produktivität von Pflanzengesellschaften. Darüber hinaus zeigen mykorrhizierte Pflanzen eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Pathogenbefall. Im Gegenzug „bezahlt”︁ die Pflanze den Pilz für diesen Gewinn mit Kohlenhydraten in Form einfacher Zucker (Glucose, Fructose). Durch manche Erfolge in der Erforschung der Mykorrhiza auf Metaboliten‐ und Genebene beginnen wir allmählich zu erahnen, wie komplex die molekularen Interaktionen dieser Symbiose sind. Es ist zu erwarten, dass das steigende Interesse an der Mykorrhizaforschung zu neuen Einsichten in die Strategien von Pflanzen und Pilzen in der Entwicklung mutualistisch‐symbiontischer Assoziationen führen wird.

Chemische Signale wurden bereits im 19.Jahrhundert als Regulatoren von Wachstum und Entwicklung der Pflanzen postuliert.In den letzten 70 Jahren wurde die Wirkungsweise der klassischen Pflanzenhormone wie der Auxine, Gibberelline, Cytokinine, Ethylen und Abscisinsäure aufgeklärt. Doch erst im letzten Jahrzehnt entdeckte man die Bedeutung der Brassinosteroide, der Peptidhormone und der Jasmonate.