L'analisi comparativa del trascrittoma di Veratrum maackii e Veratrum nigrum rivela più geni candidati coinvolti nella biosintesi degli alcaloidi steroidei

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8198 (2023) Citare questo articolo

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Veratrum (Melanthiaceae; Liliales) è un genere di erbe perenni noto per la produzione di alcaloidi steroidei bioattivi unici. Tuttavia, la biosintesi di questi composti non è ancora completamente compresa perché molti dei passaggi enzimatici a valle devono ancora essere risolti. RNA-Seq è un metodo potente che può essere utilizzato per identificare i geni candidati coinvolti nelle vie metaboliche confrontando i trascrittomi dei tessuti metabolicamente attivi con controlli privi della via di interesse. I trascrittomi delle radici e delle foglie delle piante selvatiche di Veratrum maackii e Veratrum nigrum sono stati sequenziati e 437.820 letture pulite sono state assemblate in 203.912 unigeni, il 47,67% dei quali sono stati annotati. Abbiamo identificato 235 unigeni differenzialmente espressi potenzialmente coinvolti nella sintesi di alcaloidi steroidei. Venti unigeni, inclusi i nuovi candidati monoossigenasi del citocromo P450 e fattori di trascrizione, sono stati selezionati per la convalida mediante PCR quantitativa in tempo reale. La maggior parte dei geni candidati erano espressi a livelli più elevati nelle radici rispetto alle foglie, ma mostravano un profilo coerente in entrambe le specie. Dei 20 unigeni presumibilmente coinvolti nella sintesi degli alcaloidi steroidei, 14 erano già noti. Abbiamo identificato tre nuovi candidati CYP450 (CYP76A2, CYP76B6 e CYP76AH1) e tre nuovi candidati fattori di trascrizione (ERF1A, bHLH13 e bHLH66). Proponiamo che ERF1A, CYP90G1-1 e CYP76AH1 siano specificamente coinvolti nei passaggi chiave della biosintesi degli alcaloidi steroidei nelle radici di V. maackii. I nostri dati rappresentano la prima analisi tra specie della biosintesi degli alcaloidi steroidei nel genere Veratrum e indicano che le proprietà metaboliche di V. maackii e V. nigrum sono ampiamente conservate nonostante i loro distinti profili alcaloidi.

Veratrum è un genere che comprende circa 40 specie di piante erbacee perenni che crescono ampiamente nelle regioni temperate dell'emisfero settentrionale1,2. Sebbene siano tossiche, le radici di diverse specie di Veratrum vengono utilizzate, con cautela, nel contesto dell'erboristeria occidentale e della medicina tradizionale cinese per il trattamento di analgesia, infiammazioni3,4, tumori5,6,7, ulcere maligne8 e trombosi1. I principali composti attivi sono gli alcaloidi steroidei come la jervine (e il suo derivato ciclopamina), la cevanina e la veratramina, che mostrano una gamma di bioattività rilevanti dal punto di vista medico in test cellulari e modelli animali9,10. La sintesi degli alcaloidi steroidei nelle specie Veratrum richiede unità isoprenoidi prodotte dalle vie citosoliche del mevalonato e MEP, che vengono convertite attraverso diversi passaggi enzimatici in squalene, quindi nell'intermedio ciclico cicloartenolo ed infine in colesterolo11,12,13. La conversione del colesterolo in alcaloidi steroidei richiede due principali famiglie di geni: le monoossigenasi del citocromo P450 (CYP450) e le glicosiltransferasi (GT)14,15,16. Molti degli enzimi coinvolti in questa parte a valle del percorso sono sconosciuti, così come lo sono i fattori di trascrizione che regolano la biosintesi degli alcaloidi steroidei.

La trascrittomica comparativa è un approccio potente in grado di identificare i geni che codificano per gli enzimi metabolici e i fattori di trascrizione che li regolano confrontando i tessuti metabolicamente attivi con controlli privi della via di interesse17,18. La correlazione dei livelli di metaboliti con i dati di RNA-Seq ha recentemente identificato quattro enzimi (inclusi tre CYP450) coinvolti nella biosintesi degli alcaloidi steroidei nel Veratrum californicum19. Inoltre, un confronto completo dei trascrittomi del fusto, delle foglie e delle radici di Veratrum nigrum ha rivelato 73 ulteriori geni candidati coinvolti in varie parti del percorso, inclusi 11 enzimi nel segmento dal cicloartenolo al colesterolo10. Qui abbiamo applicato un approccio trascrittomico comparativo simile, ma abbiamo incluso due specie di Veratrum con diversi profili di alcaloidi steroidei al fine di sondare le differenze interspecifiche nonché i componenti comuni delle vie di biosintesi degli alcaloidi steroidei di Veratrum. Abbiamo confrontato i trascrittomi delle radici e delle foglie di V. maackii e V. nigrum e abbiamo convalidato le differenze nell'espressione genica mediante RT-PCR. I nostri risultati forniscono una preziosa risorsa genomica per la scoperta di nuovi geni legati al metabolismo degli alcaloidi steroidei.