Как древние вирусы "научили" каннабис вызывать опьянение
Первая в мире хромосомная карта каннабиса раскрывает эволюционное прошлое растения и указывает на его будущее как потенциального лекарства.
Исследователи из Университета Торонто обнаружили, что ТГК и КБД — биологически активные вещества, вырабатываемые каннабисом и востребованные пациентами и рекреационными пользователями, — возникли благодаря древней колонизации генома растения вирусами.
Это открытие — лишь одно из многих, представленных долгожданной картой генома каннабиса, детализирующей расположение генов на хромосомах и опубликованной в журнале Genome Research. Среди других открытий — обнаружение гена, ответственного за выработку каннабихромена (CBC), менее известного каннабиноида, а также новые данные о том, как определяется сила штаммов.
"Хромосомная карта — важный фундаментальный ресурс для дальнейших исследований, которые, несмотря на широкое использование каннабиса, отстают от других культур из-за ограничительного законодательства", — говорит Тим Хьюз, профессор Центра клеточных и биомолекулярных исследований Доннелли и соавтор исследования.
Исследователи ожидают, что карта ускорит селекционные усилия по созданию новых штаммов с желаемыми медицинскими свойствами, а также сортов, которые можно выращивать более устойчиво или с повышенной устойчивостью к болезням и вредителям.
Исследование стало результатом трёхстороннего сотрудничества между командой Тима Хьюза, Джонатана Пейджа из Aurora Cannabis и Университета Британской Колумбии, и Харма ван Бакеля из Медицинской школы Икан на горе Синай в Нью-Йорке.
Новая карта показывает, как конопля и марихуана, принадлежащие к одному виду Cannabis sativa, эволюционировали как отдельные штаммы с различными химическими свойствами. Растения, выращиваемые для наркотического использования ("марихуана"), богаты психоактивным тетрагидроканнабинолом (ТГК), тогда как конопля производит каннабидиол (КБД), популярный в последнее время благодаря своему медицинскому потенциалу.
Ферменты, производящие ТГК и КБД, кодируются генами синтаз THCA и CBDA соответственно. Оба находятся на хромосоме 6 из десяти хромосом генома каннабиса. Там гены ферментов окружены обширными участками "бессмысленной" ДНК, которая попала от вирусов, колонизировавших геном миллионы лет назад. Эта вирусная ДНК, или ретроэлементы, копировала себя и распространялась по геному, встраиваясь в другие участки ДНК клетки-хозяина.
"Геномы растений могут содержать миллионы копий ретроэлементов", — говорит ван Бакель. — "Сочетание генетической карты и технологии секвенирования PacBio позволило нам увеличить размер "фрагментов пазла" и найти достаточно отличительных особенностей, чтобы облегчить процесс сборки и точно определить гены синтаз".
Исследователи полагают, что дупликация (удвоение) гена-предшественника синтазы и экспансия ретроэлементов привели к разделению древнего каннабиса на химически различные типы. Впоследствии люди отбирали растения с желаемой химией, например, с высоким содержанием ТГК.
Последовательности генов для синтаз THCA и CBDA почти идентичны, что подтверждает идею об их происхождении от одного гена, который был дублирован миллионы лет назад. Со временем одна или обе копии гена были "перепутаны" вторгшимися ретроэлементами, и, эволюционируя отдельно, в итоге стали производить два разных фермента — CBDA-синтазу, обнаруженную в конопле (волокнистого типа), и THCA-синтазу в наркотическом типе (марихуане).
Хромосомная карта теперь чётко показывает, что задействованы два различных гена, что должно позволить разделить их в ходе селекции для выращивания растений без ТГК.
Некоторые психоактивные эффекты в медицинских штаммах могут быть связаны с CBC, менее известным каннабиноидом с необычной фармакологией, включая противовоспалительные свойства. Открытие гена, ответственного за синтез CBC, позволит селекционерам регулировать его содержание в будущих сортах.
"Основная наука всё ещё сделала недостаточно из-за ограничений на исследования", — говорит Джонатан Пейдж. — "Легализация и предстоящее смягчение регуляции исследований действительно открывают возможности для проведения большего количества исследований. И Канада здесь лидирует".