Исследователи изучили образование карденолидов в растениях

Учёные из Института химической экологии Макса Планка в Йене исследуют ранее в значительной степени неизвестный биосинтетический путь, ведущий к образованию карденолидов в растениях.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Plants, они представляют два фермента из семейства CYP87A как ключевые ферменты, катализирующие образование прегненолона — предшественника для биосинтеза растительных стероидов — в двух разных семействах растений. Открытие таких ферментов должно помочь в разработке платформ для дешёвого и устойчивого производства высококачественных стероидных соединений для медицинского применения.

Карденолиды, сердечные гликозиды растительного происхождения, используются для лечения сердечной недостаточности или аритмии с середины XIX века из-за их воздействия на сердечную мышцу.

"Помимо влияния на сократимость сердца, карденолиды в последние годы с большим успехом применяются для лечения различных видов рака. Однако соответствующие растительные биосинтетические пути оставались в значительной степени неизвестными, несмотря на успех этих стероидных молекул в медицине. Нашей целью было понять, как растения синтезируют эти высокосложные молекулы из прогнозируемых, но простых предшественников", — объясняет первый автор Маритта Кунерт.

Исследовательская группа изучала наперстянку пурпурную (Digitalis purpurea) и калопропис гигантский (Calotropis procera). Хотя эти растения принадлежат к разным семействам, оба производят большое количество карденолидов.

Исходной точкой послужила более ранняя работа с родственным видом наперстянки, которая предполагала, что биосинтез происходит через молекулу прегненолона, иногда называемую "матерью всех стероидных гормонов".

"Мы идентифицировали гены-кандидаты, участвующие в биосинтезе карденолидов, путём сравнительного анализа двух видов растений. Сравнение информации о геномах растений, в частности о том, какие гены экспрессируются в связи с образованием метаболитов, было очень полезным для идентификации ферментов, участвующих в образовании прегненолона", — говорит руководитель исследования Прашант Сонаване.

Кроме того, учёные не знали, где накапливаются интересующие метаболиты в разных частях растений. Тканеспецифичная локализация карденолидов была решающей для использования генетических наборов данных.

В итоге были идентифицированы два фермента семейства цитохрома P450 87A, которые катализируют превращение как холестерина, так и фитостеролов в прегненолон у наперстянки и Calotropis procera. Это был первый шаг в пути биосинтеза карденолидов у этих двух лишь отдалённо родственных растений. Важно, что это первая зарегистрированная ферментативная функция для этого подсемейства цитохрома P450.

Учёные проверили свои выводы, модифицировав растения модельной системы Arabidopsis thaliana для производства большего количества ферментов CYP87A. Генетически модифицированные растения Arabidopsis накапливали необычно высокие уровни прегненолона.

Дополнительным доказательством участия ферментов CYP87A в образовании прегненолона послужили генетически модифицированные растения наперстянки, у которых в листьях отсутствовали эти ферменты. У этих растений образование прегненолона и карденолидов было значительно снижено. Авторы установили первую стабильную систему трансформации для модификации растений наперстянки с целью изучения специализированных метаболитов.

"Мы уже работаем над последующими этапами образования карденолидов у разных видов растений. Этот биосинтетический путь длинный и очень сложный. С возможностью применять новейшие методы секвенирования, биоинформатики и метаболомики для нескольких видов растений мы надеемся скоро решить эту головоломку", — говорит Прашант Сонаване.

Отдел биосинтеза природных соединений института под руководством Сары О'Коннор стремится выяснить биосинтетические пути важных фитохимических веществ, имеющих медицинское значение.

"Открытие таких ферментов, как CYP87A, может помочь в разработке биологических платформ для устойчивого производства высокоценных растительных соединений путём использования других растений для их биосинтеза", — говорит Сара О'Коннор.