Des scientifiques de l’Institut Max Planck d’écologie chimique d’Iéna étudient la voie de biosynthèse jusqu’alors largement inconnue qui conduit à la formation de cardénolides dans les plantes. Dans une étude publiée dans la revue Nature Plants, ils présentent deux enzymes de la famille CYP87A comme enzymes clés qui catalysent la formation de prégnénolone, précurseur de la biosynthèse des stéroïdes végétaux, dans deux familles végétales différentes. La découverte de telles enzymes devrait contribuer au développement de plateformes permettant la production durable et bon marché de composés stéroïdiens de haute qualité à usage médical.
Les plantes produisent une gamme impressionnante de métabolites, dont de nombreux stéroïdes médicalement précieux. Des exemples bien connus de cette classe de substances obtenues à partir de plantes sont les cardénolides. Dès 1785, le médecin britannique William Withering (1741-1799) publiait un livre sur la digitale rouge et son utilisation en médecine (An account of the foxglove, and some of its Medical Uses: with Practical remarques on dropsy, and other Diseases). .Birmingham 1785). Il avait découvert expérimentalement que la prise d’extraits de la plante augmentait le débit urinaire des personnes malades, traitant ainsi la rétention d’eau dans le corps. Cependant, il ne savait pas que les principes actifs contenus dans les feuilles de digitale avaient un effet direct sur le cœur. Depuis la seconde moitié du XIXe siècle, les cardénolides, glycosides cardiaques issus de plantes, sont utilisés pour traiter l’insuffisance cardiaque ou les arythmies en raison de leur effet sur le muscle cardiaque.
« En plus de leur effet sur la contractilité du cœur, les cardénolides ont été utilisés avec beaucoup de succès ces dernières années pour le traitement de divers cancers. Cependant, les voies de biosynthèse végétale correspondantes sont restées largement inconnues malgré le succès de ces molécules stéroïdes chez l’homme. Notre objectif était donc de comprendre comment les plantes synthétisent ces molécules très complexes à partir de précurseurs prédits mais simples », explique la première auteure Maritta Kunert.
En plus de la digitale Digitale purpuréel’équipe de recherche a également étudié une autre espèce végétale, l’hévéa Calotropis procera. Bien que ces deux plantes appartiennent à des familles végétales différentes, elles produisent toutes deux de grandes quantités de cardénolides. Étant donné que les espèces étudiées ne sont pas des plantes modèles dont le génome a été séquencé et pour lesquelles de nombreuses fonctions génétiques sont connues, le projet était au départ une sorte de « boîte noire » pour les chercheurs, car ils ne disposaient d’aucun ensemble de données ni de méthodes standards sur lesquelles s’appuyer. sur. Le point de départ de l’étude était des travaux antérieurs sur une espèce apparentée de digitale, qui suggéraient que la biosynthèse se produisait via la molécule prégnénolone, parfois appelée « la mère de toutes les hormones stéroïdes », car toutes les principales hormones stéroïdes telles que la testostérone, la progestérone et Les œstrogènes chez l’homme peuvent être attribués au précurseur prégnénolone.
« Nous avons identifié les gènes candidats impliqués dans la biosynthèse des cardénolides par analyse comparative des deux espèces végétales. Les structures des cardénolides dans ces plantes présentent des profils à la fois chevauchants et divergents. Par conséquent, en comparant les informations sur les génomes des plantes, en particulier quels gènes sont exprimés dans ces deux plantes en relation avec la formation de métabolites, a été très utile pour identifier les enzymes impliquées dans la formation de la prégnénolone », explique Prashant Sonawane, responsable de l’étude et responsable du groupe de projet « Métabolisme spécialisé stéroïdien dans les plantes » du Département des sciences naturelles. Biosynthèse du produit.
De plus, les scientifiques ne savaient même pas où les métabolites d’intérêt s’accumulaient dans les différentes parties des plantes. « La localisation tissulaire spécifique des cardénolides était cruciale pour utiliser les ensembles de données génétiques de manière à permettre la sélection de 13 gènes candidats. La comparaison de ces ensembles de données sur différentes plantes nous a aidé à réduire le nombre de gènes candidats pour une caractérisation plus approfondie », explique Prashant Sonawane.
Enfin, deux enzymes de la famille 87A du cytochrome P450 ont été identifiées, catalysant la conversion du cholestérol et des phytostérols en prégnénolone dans la digitale et Calotropis procera. Il s’agissait de la première étape de la voie de biosynthèse des cardénolides chez ces deux plantes seulement éloignées. Il est important de noter qu’il s’agit de la première fonction enzymatique rapportée pour cette sous-famille du cytochrome P450.
Les scientifiques ont testé leurs découvertes en modifiant les plantes du système modèle Arabidopsis thaliana pour produire plus d’enzymes CYP87A. Les génétiquement modifiés Arabidopsis les plantes ont accumulé des niveaux inhabituellement élevés de prégnénolone. D’autres preuves de l’implication des enzymes CYP87A dans la formation de prégnénolone provenaient de plantes de digitale génétiquement modifiées qui manquaient d’enzymes CYP87A dans leurs feuilles. Dans ces plantes, la formation de prégnénolone et de cardénolides a été fortement réduite. Les auteurs ont établi le premier système de transformation stable pour modifier les plantes de digitale pour l’étude de métabolites spécialisés.
L’équipe de recherche est loin de se contenter de décrypter la première étape enzymatique de la biosynthèse des cardénolides. « Nous travaillons déjà sur les étapes en aval de la formation de cardénolides chez différentes espèces végétales. Cette voie de biosynthèse est longue et très complexe. Avec la possibilité d’appliquer les dernières méthodes de séquençage, de bioinformatique et de métabolomique à plusieurs espèces végétales, nous espérons résoudre ce casse-tête bientôt », déclare Prashant Sonawane.
Les plantes produisent de nombreux composés pharmaceutiques. L’extraction de ces produits naturels est encore très complexe et souvent peu durable. Le département de biosynthèse des produits naturels de l’Institut Max Planck d’écologie chimique, dirigé par Sarah O’Connor, vise à élucider les voies de biosynthèse de composés phytochimiques importants ayant une pertinence médicale. « La découverte d’enzymes telles que le CYP87A peut aider à développer des plateformes biologiques pour la production durable de composés végétaux de grande valeur en utilisant d’autres plantes pour leur biosynthèse », explique Sarah O’Connor.
