A análise comparativa do transcriptoma de Veratrum maackii e Veratrum nigrum revela múltiplos genes candidatos envolvidos na biossíntese de alcalóides esteróides

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8198 (2023) Citar este artigo

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Veratrum (Melanthiaceae; Liliales) é um gênero de ervas perenes conhecido pela produção de alcalóides esteróides bioativos únicos. No entanto, a biossíntese destes compostos não é completamente compreendida porque muitas das etapas enzimáticas a jusante ainda não foram resolvidas. O RNA-Seq é um método poderoso que pode ser usado para identificar genes candidatos envolvidos em vias metabólicas, comparando os transcriptomas de tecidos metabolicamente ativos com controles sem a via de interesse. Os transcriptomas de raízes e folhas de plantas selvagens Veratrum maackii e Veratrum nigrum foram sequenciados e 437.820 leituras limpas foram montadas em 203.912 unigenes, 47,67% dos quais foram anotados. Identificamos 235 unigenes expressos diferencialmente potencialmente envolvidos na síntese de alcalóides esteróides. Vinte unigenes, incluindo novas monooxigenases candidatas do citocromo P450 e fatores de transcrição, foram selecionados para validação por PCR quantitativo em tempo real. A maioria dos genes candidatos foram expressos em níveis mais elevados nas raízes do que nas folhas, mas mostraram um perfil consistente em ambas as espécies. Entre os 20 unigenes supostamente envolvidos na síntese de alcalóides esteróides, 14 já eram conhecidos. Identificamos três novos candidatos ao CYP450 (CYP76A2, CYP76B6 e CYP76AH1) e três novos candidatos a fatores de transcrição (ERF1A, bHLH13 e bHLH66). Propomos que ERF1A, CYP90G1-1 e CYP76AH1 estejam especificamente envolvidos nas principais etapas da biossíntese de alcalóides esteróides em raízes de V. maackii. Nossos dados representam a primeira análise interespécies da biossíntese de alcalóides esteróides no gênero Veratrum e indicam que as propriedades metabólicas de V. maackii e V. nigrum são amplamente conservadas apesar de seus perfis alcalóides distintos.

Veratrum é um gênero que compreende cerca de 40 espécies de plantas herbáceas perenes que crescem amplamente nas regiões temperadas do hemisfério norte1,2. Embora sejam tóxicas, as raízes de diversas espécies de Veratrum são utilizadas, com cautela, no contexto da fitoterapia ocidental e da medicina tradicional chinesa para o tratamento de analgesia, inflamação3,4, tumores5,6,7, úlceras malignas8 e trombose1. Os principais compostos ativos são alcalóides esteróides, como jervina (e seu derivado ciclopamina), cevanina e veratramina, que apresentam uma gama de bioatividades clinicamente relevantes em ensaios baseados em células e modelos animais9,10. A síntese de alcalóides esteróides nas espécies Veratrum requer unidades isoprenóides produzidas pelas vias citosólica do mevalonato e MEP, que são convertidas através de várias etapas enzimáticas em esqualeno, depois no intermediário cíclico cicloartenol e, eventualmente, em colesterol . A conversão do colesterol em alcalóides esteroidais requer duas famílias principais de genes: monooxigenases do citocromo P450 (CYP450s) e glicosiltransferases (GTs)14,15,16. Muitas das enzimas envolvidas nesta parte a jusante da via são desconhecidas, assim como os fatores de transcrição que regulam a biossíntese de alcalóides esteróides.

A transcriptômica comparativa é uma abordagem poderosa que pode identificar genes que codificam enzimas metabólicas e os fatores de transcrição que as regulam, comparando tecidos metabolicamente ativos com controles sem a via de interesse . A correlação dos níveis de metabólitos com dados de RNA-Seq identificou recentemente quatro enzimas (incluindo três CYP450s) envolvidas na biossíntese de alcalóides esteróides em Veratrum californicum19. Além disso, uma comparação abrangente dos transcriptomas do caule, folha e raiz do Veratrum nigrum revelou 73 genes candidatos adicionais envolvidos em várias partes da via, incluindo 11 enzimas no segmento do cicloartenol ao colesterol . Aqui aplicamos uma abordagem transcriptômica comparativa semelhante, mas incluímos duas espécies de Veratrum com diferentes perfis de alcalóides esteróides, a fim de sondar diferenças interespecíficas, bem como componentes comuns das vias de biossíntese de alcalóides esteróides Veratrum. Comparamos os transcriptomas de raiz e folha de V. maackii e V. nigrum e validamos diferenças na expressão gênica por RT-PCR. Nossos resultados fornecem um recurso genômico valioso para a descoberta de novos genes relacionados ao metabolismo dos alcalóides esteróides.