Melatonin metabolism, signaling and possible roles in plants
- K. Back
Resumo
A melatonina é uma biomolécula multifuncional encontrada em animais e plantas. Nesta revisão, a biossíntese, os níveis, a sinalização e os possíveis papéis da melatonina e seus metabólitos em plantas são resumidos. A triptamina 5-hidroxilase (T5H), que catalisa a conversão de triptamina em serotonina, foi proposta como um alvo para criar um mutante knockout de melatonina apresentando um fenótipo de imitação de lesão em arroz. Com uma capacidade anabólica reduzida para a biossíntese de melatonina e uma capacidade catabólica aumentada para o metabolismo da melatonina, todas as plantas geralmente mantêm baixos níveis de melatonina. Algumas plantas, incluindo Arabidopsis e Nicotiana tabacum (tabaco), não possuem a descarboxilase do triptofano (TDC), a primeira enzima da via comprometida necessária para a biossíntese da melatonina. Os principais metabólitos da melatonina incluem a 3-hidroximelatonina cíclica (3-OHM) e a 2-hidroximelatonina (2-OHM). Outros metabólitos da melatonina, como a N1-acetil-N2-formil-5-metoxiquinuramina (AFMK), a N-acetil-5-metoxiquinuramina (AMK) e a 5-metoxitriptamina (5-MT), também são produzidos quando a melatonina é aplicada em Oryza sativa (arroz). As vias de sinalização da melatonina e seus metabólitos atuam via cascata da proteína quinase ativada por mitógeno (MAPK, do inglês Mitogen-Activated Protein Kinase), possivelmente com Cand2 atuando como um receptor de melatonina, embora a integridade do Cand2 permaneça controversa. A melatonina medeia muitas funções importantes na estimulação do crescimento e na tolerância ao estresse por meio de sua potente atividade antioxidante e função na ativação da cascata MAPK. A distribuição da concentração dos metabólitos da melatonina parece ser espécie-específica, pois enzimas correspondentes, como M2H, M3H, catalases, indoleamina 2,3-dioxigenase (IDO) e N-acetilserotonina desacetilase (ASDAC), são diferencialmente expressas entre as espécies de plantas e até mesmo entre diferentes tecidos dentro da mesma espécie. Níveis diferenciais de melatonina e seus metabólitos podem levar a efeitos fisiológicos diferenciais entre as plantas quando a melatonina é aplicada exogenamente ou superproduzida por meio de superexpressão ectópica.
Abstract
Melatonin is a multifunctional biomolecule found in both animals and plants. In this review, the biosynthesis, levels, signaling, and possible roles of melatonin and its metabolites in plants is summarized. Tryptamine 5-hydroxylase (T5H), which catalyzes the conversion of tryptamine into serotonin, has been proposed as a target to create a melatonin knockout mutant presenting a lesion-mimic phenotype in rice. With a reduced anabolic capacity for melatonin biosynthesis and an increased catabolic capacity for melatonin metabolism, all plants generally maintain low melatonin levels. Some plants, including Arabidopsis and Nicotiana tabacum (tobacco), do not possess tryptophan decarboxylase (TDC), the first committed step enzyme required for melatonin biosynthesis. Major melatonin metabolites include cyclic 3-hydroxymelatonin (3-OHM) and 2-hydroxymelatonin (2-OHM). Other melatonin metabolites such as N1-acetyl-N2-formyl-5-methoxykynuramine (AFMK), N-acetyl-5-methoxykynuramine (AMK) and 5-methoxytryptamine (5-MT) are also produced when melatonin is applied to Oryza sativa (rice). The signaling pathways of melatonin and its metabolites act via the mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade, possibly with Cand2 acting as a melatonin receptor, although the integrity of Cand2 remains controversial. Melatonin mediates many important functions in growth stimulation and stress tolerance through its potent antioxidant activity and function in activating the MAPK cascade. The concentration distribution of melatonin metabolites appears to be species specific because corresponding enzymes such as M2H, M3H, catalases, indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) and N-acetylserotonin deacetylase (ASDAC) are differentially expressed among plant species and even among different tissues within species. Differential levels of melatonin and its metabolites can lead to differential physiological effects among plants when melatonin is either applied exogenously or overproduced through ectopic overexpression.
