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Mar 25, 2023

Die Analyse einzelner Pflanzenzellen liefert Einblicke in die Biosynthese von Naturstoffen

Das Madagaskar-Immergrün (Catharanthus roseus) aus der Familie der Hundsgiftgewächse produziert eine

Das Madagaskar-Immergrün (Catharanthus roseus) aus der Familie der Hundsgiftgewächse produziert eine Reihe von Alkaloiden von medizinischem Interesse. Analysen auf zellulärer Ebene ermöglichten die Entdeckung von Genen für die Biosynthese der beiden wichtigsten Naturstoffe der Pflanze, Vincristin und Vinblastin, die in der Krebsbehandlung eingesetzt werden.

ATHEN – Ein internationales Forscherteam der University of Georgia und des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie in Deutschland hat laut einer neuen, in Nature Chemical Biology veröffentlichten Studie eine vielversprechende Strategie zur Entschlüsselung der Stoffwechselwege für Pflanzenstoffe entdeckt, die für medizinische Behandlungen wichtig sind .

Unter der Leitung von Chenxin Li vom Center for Applied Genetic Technologies der UGA am College of Agricultural and Environmental Sciences untersuchte das Forschungsteam die Biosynthese von zwei Alkaloiden aus dem Madagaskar-Immergrün (Catharanthus roseus), die in der Humanmedizin als Antikrebsmittel eingesetzt werden. Die Gene für die Bildung dieser Wirkstoffe werden in verschiedenen Zelltypen exprimiert.

Mithilfe von Einzelzellanalysen konnten die Wissenschaftler neue, für die Biosynthese wichtige Gene entdecken und zeigen, dass sich die Zwischenprodukte des Stoffwechselweges in bestimmten Zelltypen anreichern. Zwischenprodukte sind Moleküle, die Vorläufer oder Metaboliten biologisch bedeutsamer Moleküle sind.

Die Forscher gehen davon aus, dass dieser methodische Ansatz wichtige neue Erkenntnisse über die Biosynthese vieler anderer Naturstoffe aus dem Pflanzenreich liefern wird.

Pflanzen beeindrucken durch ihre Vielfalt, insbesondere durch die Vielfalt der von ihnen produzierten Stoffwechselprodukte. Viele natürliche Pflanzenprodukte bestehen aus hochkomplexen Molekülen, wie zum Beispiel den Alkaloiden Vincristin und Vinblastin, die vom Madagaskar-Immergrün produziert werden. Diese beiden Substanzen sind in der Krebstherapie bereits unverzichtbar und die Forscher sind daran interessiert herauszufinden, welche einzelnen Biosyntheseschritte erforderlich sind, um die komplexen Moleküle zu bilden.

„Derzeit werden diese Verbindungen noch in sehr geringen Mengen aus dem Blattextrakt der Pflanze gewonnen. Wir können von der Pflanze lernen, wie diese Verbindung hergestellt wird, und dieses Wissen nutzen, um Produktionssysteme zu entwickeln, die kostengünstiger, skalierbarer und nachhaltiger sind“, sagte er Li, Erstautor der Studie, beschreibt das Forschungsziel.

Wissenschaftler wissen, dass die Genaktivität zwischen den Zellen einer Pflanze unterschiedlich ist und dass sich die Chemie von Zelle zu Zelle drastisch unterscheiden kann. Das Ziel der aktuellen Studie bestand darin, mithilfe einer neuen Reihe von Methoden, die zusammen als Einzelzell-Omics bezeichnet werden, spezialisierte und seltene Zelltypen zu untersuchen, die eine zentrale Rolle bei der Biosynthese pflanzlicher Naturstoffe spielen und deren Signale häufig von häufiger vorkommenden Zellen verdeckt werden Arten in Pflanzenorganen.

„Mit Single-Cell-Omics verfügen wir über eine Methode, die es Forschern ermöglicht, genetische und metabolische Informationen einzelnen Zellen zuzuordnen“, sagt Lorenzo Caputi, Leiter der Projektgruppe Alkaloidbiosynthese in der Abteilung Naturstoffbiosynthese am MPI und einer der Hauptautoren , sagte. „Der Begriff ‚Omics‘ bezieht sich auf die Tatsache, dass eine ganze Sammlung von Genen oder Metaboliten quantifiziert und analysiert wird.“

Wie die Analysen zeigten, ist der gesamte Biosyntheseweg für das Alkaloid Vinblastin in drei Stufen und drei diskrete Zelltypen unterteilt.

„Das erste Stadium wird ausschließlich in spezialisierten Zellen exprimiert, die mit Gefäßbündeln im Blatt verbunden sind und IPAP genannt werden“, sagte Li. „Die zweite Stufe des Biosynthesewegs wird nur in Zellen der Epidermis, der Zellschicht, die die Blätter bedeckt, exprimiert, und die letzten bekannten Schritte des Biosynthesewegs werden ausschließlich in Idioblasten, einem seltenen Zelltyp des Blattes, exprimiert.“

Die Forscher maßen die Konzentrationen mehrerer Zwischenprodukte im Stoffwechselweg von Vinblastin in einzelnen Zellen und waren von den Ergebnissen überrascht.

„Zwei wichtige Vorläufer von Vinblastin – Catharanthin und Vindolin – kommen in den Idioblastenzellen in millimolaren Konzentrationen vor, etwa drei Größenordnungen höher als Vinblastin selbst“, sagte Sarah O’Connor, Leiterin der Abteilung Naturstoffbiosynthese am MPI. „Die Konzentration der beiden Vorläufer in diesen Zellen war viel höher als wir erwartet hatten und überstieg sogar ihre Konzentrationen in Extrakten ganzer Organe.“

„Diese Beobachtung macht jedoch Sinn, da Catharanthin und Vindolin nur in den seltenen Idioblastenzellen gefunden wurden. Die zahlreichen anderen Zellen im Blatt verdünnen die hohe Konzentration, wenn ganze Blätter zerkleinert werden.“

Mitglieder des Forschungsteams sind zuversichtlich, dass die Organisation der Biosynthesewege für medizinisch relevante Alkaloide in Catharanthus roseus kein isoliertes Phänomen ist.

„Wir beginnen gerade erst zu verstehen, wie und warum eine solche zelltypspezifische Organisation existiert“, sagte Robin Buell, Eminent Scholar Chair für Nutzpflanzengenomik der Georgia Research Alliance an der UGA. „Darüber hinaus hat uns die Analyse von Genen, die gleichzeitig in einem bestimmten Zelltyp exprimiert werden, dabei geholfen, neue Akteure in diesem Stoffwechselweg zu identifizieren. Die gleiche Technik kann verwendet werden, um die Biosynthese vieler anderer Naturstoffe zu untersuchen.“

„Schließlich können uns die genauen Orte der Anreicherung pflanzlicher Verbindungen, wie etwa die Epidermis, das Gefäßsystem oder der Milchgang, dabei helfen, Hypothesen über die ökologische Rolle von Naturprodukten anzustellen. Je nach Anreicherungsmuster können die Verbindungen beispielsweise vielfältiger sein.“ wirksamer gegen beißende Insekten als gegen saftsaugende Insekten.

Ein besseres Verständnis der Biosynthesewege der Krebsmedikamente Vincristin und Vinblastin könnte auch dazu beitragen, diese Verbindungen langfristig effektiver zu produzieren oder zu ernten. Auch für die Erforschung vieler weiterer interessanter und medizinisch bedeutsamer Naturstoffe aus dem Pflanzenreich ist der Einsatz der beschriebenen Methoden vielversprechend.

Der in der Studie beschriebene Ansatz wird dazu beitragen, diese seltenen und spezialisierten Zellen einzugrenzen und die Genaktivitäten und die Chemie aufzudecken, die ausschließlich für sie gelten.

Maria M. Lameiras ist leitende Redakteurin am University of Georgia College of Agricultural and Environmental Sciences.

Ursprünglich veröffentlicht auf albanyherald.com, Teil des BLOX Digital Content Exchange.

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