La divergenza funzionale dei CYP76AK modella la chemiodiversità dell'abetano

Mar 28, 2024

Nature Communications volume 14, numero articolo: 4696 (2023) Citare questo articolo

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Il genere Salvia L. (Lamiaceae) comprende una miriade di erbe medicinali distinte, con i terpenoidi come uno dei principali gruppi chimici attivi. I diterpenoidi di tipo abietano (ATD), come i tanshinoni e gli acidi carnosici, sono specifici della Salvia e mostrano diversità chimica tassonomica tra i lignaggi. Per chiarire come si è evoluta la diversità chimica dell'ATD, abbiamo effettuato analisi metaboliche e filogenetiche su larga scala di 71 specie di Salvia, combinate con la funzione enzimatica, la sequenza ancestrale e la ricostruzione dei tratti chimici, ed esperimenti di genomica comparativa. Questo approccio integrato ha mostrato che le diversità ATD a livello di lignaggio nella Salvia erano indotte da differenze nell'ossidazione dello scheletro terpenoide al C-20, causata dalla divergenza funzionale della sottofamiglia CYP76AK del citocromo P450. Questi risultati presentano un modello unico di diversità chimica nelle piante che è stato modellato dalla perdita dell’attività enzimatica e dei percorsi catalitici associati.

I prodotti naturali di origine vegetale rappresentano una risorsa preziosa per la ricerca farmacologica e lo sviluppo di prodotti sanitari e la loro diversità strutturale è correlata a varie attività biologiche1. Sia il Taxolo, un alcaloide diterpenoide ottenuto dal Taxus chinensis (Pilg.) Rehder, sia l'Artemisinina, un sesquiterpenoide derivato dall'Artemisia annua L., hanno ricevuto grande attenzione in tutto il mondo per i loro eccezionali effetti antitumorali e antimalarici, rispettivamente2,3. A causa dell’elevata richiesta di prodotti naturali, gli approcci per ottenere composti specifici tramite l’ingegneria metabolica sono diventati una tendenza importante, rendendo necessaria la delucidazione dei percorsi biosintetici e l’identificazione dei geni chiave coinvolti in questi percorsi.

La maggior parte dei prodotti naturali ottenuti dalle piante sono metaboliti specializzati. Tuttavia, chiarire un percorso biosintetico è limitato quando il percorso è complesso e comprende più passaggi, rendendo difficile identificare i geni rilevanti4. In generale, l’emergere di metaboliti specializzati nelle piante è un meccanismo di difesa evoluto che protegge le piante da una raffica di stress biotici e abiotici, con la diversità chimica riflessa nella diversità dei loro scheletri e nelle modifiche chimiche5. In generale, scheletri simili derivano da percorsi biosintetici simili all'interno di piante omologhe. Tuttavia, i prodotti naturali basati sugli stessi scheletri con varie modifiche chimiche (ad esempio, glicosilazione, metilazione, idrossilazione, acilazione, prenilazione) sono diversi all'interno delle specie. Tali modifiche strutturali svolgono un ruolo importante nel modo in cui le piante rispondono ai cambiamenti nell'ambiente esterno per la loro crescita e sviluppo6.

Considerati i rapidi progressi nelle recenti tecnologie omiche, è ora possibile tracciare l’origine evolutiva, la distribuzione e la composizione dei metaboliti su scala di lignaggio7 e far luce sulle loro funzioni antiche o nuove, nonché sull’emergenza e l’irradiazione dei loro percorsi biosintetici nel corso dei secoli. time8 Ad esempio, il Mint Plant Genome Project ha dato un contributo significativo a questo riguardo, studiando i modelli di distribuzione dei terpenoidi volatili nella famiglia delle Lamiaceae9 ed esplorando le radiazioni della via iridoide attraverso vari lignaggi10. Hanno inoltre approfondito i meccanismi alla base della perdita e della successiva rievoluzione della biosintesi del nepetalattone nel lignaggio Nepeta11. Un altro esempio altamente rappresentativo è l'origine del morfinano nel genere Papaver (Papaveraceae). Tracciando gli eventi di fusione del gene STORR tra i genomi di Papaver e le correlate duplicazioni dell'intero genoma (WGD), i riarrangiamenti cromosomici e l'evoluzione del sottogenoma12,13,14, è stata dimostrata l'innovazione di questo metabolita specializzato. Pertanto, stabilire il meccanismo genetico per la formazione della diversità dei prodotti naturali tra le specie è di grande importanza per comprendere i percorsi, fornendo elementi sintetici per l’ingegneria metabolica e la selezione molecolare.