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Mar 25, 2023

L'analyse de cellules végétales uniques donne un aperçu de la biosynthèse des produits naturels

La pervenche de Madagascar (Catharanthus roseus) de la famille des apocyns produit une

La pervenche de Madagascar (Catharanthus roseus) de la famille de l'apocyn produit un certain nombre d'alcaloïdes d'intérêt médical. Des analyses au niveau cellulaire ont permis de découvrir des gènes pour la biosynthèse des deux produits naturels les plus importants de la plante, la vincristine et la vinblastine, utilisés dans les traitements contre le cancer.

ATHÈNES - Une équipe internationale de chercheurs de l'Université de Géorgie et de l'Institut Max Planck d'écologie chimique en Allemagne a découvert une stratégie prometteuse pour décoder les voies métaboliques des composés végétaux importants dans les traitements médicaux, selon une nouvelle étude publiée dans Nature Chemical Biology .

Dirigée par Chenxin Li du Centre de technologies génétiques appliquées de l'UGA au Collège des sciences agricoles et environnementales, l'équipe de recherche a étudié la biosynthèse de deux alcaloïdes de la pervenche de Madagascar (Catharanthus roseus) qui sont utilisés comme agents anticancéreux en médecine humaine. Les gènes pour la formation de ces substances actives sont exprimés dans différents types cellulaires.

En utilisant des analyses unicellulaires, les scientifiques ont pu découvrir de nouveaux gènes importants pour la biosynthèse et montrer que les intermédiaires de la voie métabolique s'accumulent dans des types de cellules spécifiques. Les intermédiaires sont des molécules qui sont les précurseurs ou les métabolites de molécules biologiquement significatives.

Les chercheurs prédisent que cette approche méthodologique fournira de nouvelles informations importantes sur la biosynthèse de nombreux autres produits naturels du règne végétal.

Les plantes sont impressionnantes dans leur diversité, en particulier dans la variété des métabolites qu'elles produisent. De nombreux produits végétaux naturels sont composés de molécules très complexes, comme les alcaloïdes vincristine et vinblastine, qui sont produits par la pervenche de Madagascar. Ces deux substances sont déjà indispensables dans le traitement du cancer, et les chercheurs souhaitent découvrir quelles étapes de biosynthèse individuelles sont nécessaires pour former les molécules complexes.

"Actuellement, ces composés sont encore obtenus en très petites quantités à partir de l'extrait de feuilles de la plante. Nous pouvons apprendre de la plante comment ce composé est produit et utiliser ces connaissances pour développer des systèmes de production plus rentables, évolutifs et durables", a déclaré Li, premier auteur de l'étude, décrivant l'objectif de la recherche.

Les scientifiques savent que l'activité des gènes diffère entre les cellules d'une plante et que la chimie peut différer considérablement d'une cellule à l'autre. L'objectif de l'étude récente était d'utiliser un nouvel ensemble de méthodes collectivement appelées omiques unicellulaires pour étudier les types de cellules spécialisées et rares qui jouent un rôle central dans la biosynthèse des produits naturels végétaux, et dont les signaux sont souvent obscurcis par des cellules plus abondantes. types dans les organes végétaux.

"Avec les omiques unicellulaires, nous disposons d'une méthode qui permet aux chercheurs d'attribuer des informations génétiques et métaboliques à des cellules individuelles", Lorenzo Caputi, chef du groupe de projet sur la biosynthèse des alcaloïdes au département de biosynthèse des produits naturels du MPI et l'un des auteurs principaux. , a dit. "Le terme" omiques "fait référence au fait qu'une collection entière de gènes ou de métabolites est quantifiée et analysée."

Comme les analyses l'ont montré, l'ensemble de la voie de biosynthèse de l'alcaloïde vinblastine est organisé en trois étapes et trois types cellulaires distincts.

"La première étape est exprimée exclusivement dans des cellules spécialisées associées à des faisceaux vasculaires dans la feuille, appelées IPAP", a déclaré Li. "La deuxième étape de la voie de biosynthèse s'exprime uniquement dans les cellules de l'épiderme, la couche de cellules qui recouvre les feuilles, et les dernières étapes connues de la voie de biosynthèse s'expriment exclusivement dans les idioblastes, un type cellulaire rare de la feuille."

Les chercheurs ont mesuré les concentrations de plusieurs intermédiaires dans la voie métabolique de la vinblastine dans des cellules individuelles et ont été surpris par les résultats.

"Deux précurseurs importants de la vinblastine - la catharanthine et la vindoline - se produisent dans les cellules idioblastes à des concentrations millimolaires, environ trois ordres de grandeur plus élevées que la vinblastine elle-même", a déclaré Sarah O'Connor, responsable du département de biosynthèse des produits naturels au MPI. "La concentration des deux précurseurs dans ces cellules était beaucoup plus élevée que prévu et dépassait même leurs concentrations dans les extraits d'organes entiers.

"Cependant, cette observation est logique dans la mesure où la catharanthine et la vindoline n'ont été trouvées que dans les rares cellules idioblastes. Les autres cellules abondantes dans la feuille diluent la concentration élevée lorsque des feuilles entières sont écrasées."

Les membres de l'équipe de recherche se disent convaincus que l'organisation des voies de biosynthèse des alcaloïdes d'intérêt médical chez Catharanthus roseus n'est pas un phénomène isolé.

"Nous commençons à peine à comprendre comment et pourquoi une telle organisation spécifique à un type de cellule existe", a déclaré Robin Buell, titulaire de la chaire d'éminence universitaire Georgia Research Alliance en génomique des cultures à l'UGA. "De plus, l'analyse de gènes exprimés simultanément dans un type cellulaire particulier nous a permis d'identifier de nouveaux acteurs dans cette voie métabolique. La même technique peut être utilisée pour étudier la biosynthèse de nombreux autres produits naturels.

"Enfin, les sites exacts d'accumulation des composés végétaux, tels que l'épiderme, le système vasculaire ou le canal du latex, peuvent nous aider à émettre des hypothèses sur les rôles écologiques des produits naturels. Par exemple, selon le schéma d'accumulation, les composés peuvent être plus efficaces contre les insectes piqueurs que contre les insectes suceurs de sève."

Une meilleure compréhension des voies de biosynthèse des médicaments anticancéreux vincristine et vinblastine peut également aider à produire ou à récolter ces composés plus efficacement à long terme. L'utilisation des méthodes décrites est également prometteuse pour l'étude de nombreux autres produits naturels intéressants et médicalement importants du règne végétal.

L'approche décrite dans l'étude aidera à réduire ces cellules rares et spécialisées et à découvrir les activités géniques et la chimie qui leur sont exclusives.

Maria M. Lameiras est rédactrice en chef au Collège des sciences agricoles et environnementales de l'Université de Géorgie.

Publié à l'origine sur albanyherald.com, qui fait partie du BLOX Digital Content Exchange.

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