Исследователи из Стэнфордского университета сообщили об открытии восьми ранее неизвестных генов. При их активации в листьях табака удаётся воссоздать предшественник таксола — баккатин III — в количествах, сопоставимых с его естественным содержанием в иглах тиса. Это открытие может ускорить производство крайне необходимого лекарства от рака.
Естественный источник таксола
Деревья тиса рода Taxus служат естественным резервуаром для получения паклитаксела — мощного химиотерапевтического препарата, продаваемого под названием таксол. В этих медленно растущих хвойных деревьях самые высокие концентрации промежуточных соединений на поздних стадиях, таких как баккатин III, накапливаются в коре, где они составляют всего 0,001–0,050% от сухого веса, и в ещё меньших количествах — в иглах молодых побегов.
Сложности прямого извлечения
Прямое извлечение паклитаксела из тиса даёт так мало материала, что производители вместо этого полусинтезируют паклитаксел из более распространённого промежуточного соединения — баккатина III. Даже этот стандартный промышленный метод крайне неэффективен по сравнению с другими современными методами производства лекарств.
Сбор коры сопряжён с серьёзными экологическими и экономическими издержками, поскольку удаление защитных внешних слоёв часто приводит к гибели дерева. Иглы можно собирать более устойчиво, но они содержат более низкие концентрации нужных соединений. Необходим полностью устойчивый биосинтетический подход.
Прогресс в понимании биосинтетического пути таксола
С конца 1990-х годов и до 2006 года исследователи охарактеризовали 12 ферментов в биосинтетическом пути таксола. Однако прогресс остановился, и до сих пор не создана полная производственная система.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, учёные разработали метод мультиплексной пертурбации × одиночного ядра (mpXsn) для изучения метаболических модулей Taxus.
Результаты исследования
Всего было проанализировано 17 143 транскриптома одиночных ядер, охватывающих 272 образца тканей, типы клеток, стадии развития и условия воздействия на Taxus media needles.
Лучшие кандидаты были функционально протестированы путём временной экспрессии в листьях табака Nicotiana benthamiana, а метаболические продукты анализировались с помощью газовой хроматографии — масс-спектрометрии и ядерного магнитного резонанса.
В результате были обнаружены восемь ранее не охарактеризованных генов, включая ядерный транспортный фактор 2-подобный белок FoTO1, который улучшает точность первой стадии окисления. Несколько других обнаруженных ферментов выполняли ключевые этапы превращения субстрата в баккатин III. Два из недостающих ферментов имели общую каталитическую функцию, несмотря на независимую эволюцию.
Согласно авторам, «Идентификация новых генов таксола проливает свет на то, почему они так долго оставались неизвестными. Восстановление пути потребовало неожиданных семейств генов и функциональных изменений».
Метод mpXsn преодолел ограничения транскриптомного разрешения в большом и сложном геноме. Это не просто геномное достижение, метод по существу обнажил естественный процесс, ведущий к получению паклитаксела, что является важным концептуальным продвижением как в изучении скрытых функций генов, так и в производстве таксола.
Недавно идентифицированные ферменты предлагают потенциальную альтернативу получению баккатина III из тиса, открывая путь для устойчивого крупномасштабного биопроизводства паклитаксела.
Помимо биосинтеза паклитаксела, платформа mpXsn будет полезна для изучения наборов генов, представляющих интерес в других немодельных организмах. Эукариоты, особенно, представляют серьёзные проблемы для функциональной геномики и ген-ориентированных исследований, поскольку в них обычно отсутствуют комплексные кластеры генов, которые встречаются у прокариот.
Методы, подобные mpXsn, которые позволяют недорого фиксировать точную ковариацию генов в сотнях транскрипционных состояний, могут помочь преодолеть эту давнюю проблему функциональной геномики.