Rintracciare la formazione di cardenolidi nelle piante

Le piante producono una serie impressionante di metaboliti, inclusi molti steroidi utili dal punto di vista medico. Esempi ben noti di questa classe di sostanze ottenute dalle piante sono i cardenolidi. Già nel 1785, il medico britannico William Withering (1741-1799) pubblicò un libro sulla digitale rossa e il suo uso in medicina (Un resoconto della digitale, e alcuni dei suoi usi medici: con osservazioni pratiche sull’idropisia, e altre malattie). Birmingham 1785). Aveva scoperto nel corso di esperimenti che l’assunzione di estratti della pianta aumentava il flusso di urina nei malati, curando così la ritenzione idrica nel corpo. Tuttavia non sapeva che i principi attivi contenuti nelle foglie di digitale avevano un effetto diretto sul cuore. Dalla seconda metà del 19° secolo i cardenolidi, glicosidi cardiaci vegetali, vengono utilizzati per il trattamento dell’insufficienza cardiaca o delle aritmie a causa del loro effetto sul muscolo cardiaco.

“Oltre al loro effetto sulla contrattilità del cuore, i cardenolidi sono stati utilizzati con grande successo negli ultimi anni per il trattamento di vari tumori. Tuttavia, le corrispondenti vie biosintetiche vegetali sono rimaste in gran parte sconosciute, nonostante il successo di queste molecole steroidee nell’uomo.” medicina. Il nostro obiettivo era quindi capire come le piante sintetizzano queste molecole altamente complesse da precursori previsti ma semplici”, spiega la prima autrice Maritta Kunert.

Oltre alla digitale Digitale purpureail gruppo di ricerca ha studiato anche un’altra specie vegetale, l’albero della gomma Calotropis procera. Sebbene queste due piante appartengano a famiglie vegetali diverse, entrambe producono grandi quantità di cardenolidi. Poiché le specie studiate non sono piante modello i cui genomi sono stati sequenziati e di cui sono note molte funzioni genetiche, inizialmente il progetto era una sorta di “scatola nera” per i ricercatori, poiché non disponevano di set di dati esistenti o metodi standard a cui ricorrere. SU. Il punto di partenza dello studio è stato un lavoro precedente su una specie correlata di digitale, che suggeriva che la biosintesi avvenisse attraverso la molecola pregnenolone, a volte definita la “madre di tutti gli ormoni steroidei” perché tutti i principali ormoni steroidei come testosterone, progesterone e gli estrogeni nell’uomo possono essere fatti risalire al precursore pregnenolone.

“Abbiamo identificato i geni candidati coinvolti nella biosintesi del cardenolide mediante analisi comparativa delle due specie vegetali. Le strutture dei cardenolidi in queste piante hanno profili sia sovrapposti che divergenti. Pertanto, confrontando le informazioni sui genomi delle piante, in particolare quali geni sono espressi in queste due piante in relazione alla formazione di metaboliti, è stato molto utile per identificare gli enzimi coinvolti nella formazione del pregnenolone”, afferma il responsabile dello studio Prashant Sonawane, che dirige il gruppo di progetto “Metabolismo specializzato steroideo nelle piante” presso il Dipartimento di Scienze Naturali. Biosintesi del prodotto.

Inoltre, gli scienziati non sapevano nemmeno dove si accumulassero i metaboliti di interesse nelle diverse parti delle piante. “La localizzazione tessuto-specifica dei cardenolidi è stata fondamentale per utilizzare i set di dati genetici in modo da consentire la selezione di 13 geni candidati. Il confronto di questi set di dati tra piante diverse ci ha aiutato a ridurre il numero di geni candidati per un’ulteriore caratterizzazione”, spiega Prashant Sonawane.

Infine, sono stati identificati due enzimi della famiglia 87A del citocromo P450 che catalizzano la conversione sia del colesterolo che dei fitosteroli in pregnenolone nella digitale e nel Calotropis procera. Questo è stato il primo passo nel percorso biosintetico del cardenolide in queste due piante solo lontanamente imparentate. È importante sottolineare che questa è la prima funzione enzimatica segnalata per questa sottofamiglia del citocromo P450.

Gli scienziati hanno testato le loro scoperte modificando le piante del sistema modello Arabidopsis thaliana per produrre più enzimi CYP87A. Quelli geneticamente modificati Arabidopsis le piante hanno accumulato livelli insolitamente alti di pregnenolone. Ulteriori prove del coinvolgimento degli enzimi CYP87A nella formazione del pregnenolone sono arrivate da piante di digitale geneticamente modificate prive di enzimi CYP87A nelle foglie. In queste piante la formazione di pregnenolone e cardenolidi era molto ridotta. Gli autori hanno creato il primo sistema di trasformazione stabile per modificare le piante di digitale per lo studio di metaboliti specializzati.

Il gruppo di ricerca è lungi dall’essere soddisfatto di aver decifrato il primo passaggio enzimatico della biosintesi del cardenolide. “Stiamo già lavorando sulle fasi a valle per la formazione di cardenolidi in diverse specie vegetali. Questo percorso biosintetico è lungo ed estremamente complesso. Con la capacità di applicare i più recenti metodi di sequenziamento, bioinformatica e metabolomica su più specie vegetali, speriamo di risolvere presto questo puzzle”, dice Prashant Sonawane.

Le piante producono molti composti farmaceutici. L’estrazione di questi prodotti naturali è ancora molto complessa e spesso poco sostenibile. Il Dipartimento di biosintesi dei prodotti naturali presso l’Istituto Max Planck per l’ecologia chimica, guidato da Sarah O’Connor, mira a chiarire i percorsi biosintetici di importanti sostanze fitochimiche di rilevanza medica. “La scoperta di enzimi come il CYP87A può aiutare a sviluppare piattaforme biologiche per la produzione sostenibile di composti vegetali di alto valore utilizzando altre piante per la loro biosintesi”, afferma Sarah O’Connor.