La divergence fonctionnelle des CYP76AK façonne la chimiodiversité de l'abiétane

Mar 28, 2024

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 4696 (2023) Citer cet article

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Le genre Salvia L. (Lamiaceae) comprend une myriade d’herbes médicinales distinctes, les terpénoïdes étant l’un de leurs principaux groupes chimiques actifs. Les diterpénoïdes de type abietane (ATD), tels que les tanshinones et les acides carnosiques, sont spécifiques à la Salvia et présentent une diversité chimique taxonomique entre les lignées. Pour élucider l'évolution de la diversité chimique ATD, nous avons effectué des analyses métaboliques et phylogénétiques à grande échelle de 71 espèces de Salvia, combinées à la fonction enzymatique, à la reconstruction de séquences ancestrales et de traits chimiques, ainsi qu'à des expériences de génomique comparative. Cette approche intégrée a montré que les diversités ATD à l'échelle de la lignée chez Salvia étaient induites par des différences dans l'oxydation du squelette terpénoïde en C-20, provoquées par la divergence fonctionnelle de la sous-famille du cytochrome P450 CYP76AK. Ces résultats présentent un modèle unique de diversité chimique chez les plantes, façonné par la perte de l’activité enzymatique et des voies catalytiques associées.

Les produits naturels d'origine végétale constituent une ressource précieuse pour la recherche pharmacologique et le développement de produits liés à la santé, et leur diversité structurelle est liée à diverses activités biologiques1. Le Taxol, un alcaloïde diterpénoïde obtenu à partir de Taxus chinensis (Pilg.) Rehder, et l'Artémisinine, un sesquiterpénoïde dérivé d'Artemisia annua L., ont reçu beaucoup d'attention dans le monde entier en raison de leurs effets anticancéreux et antipaludiques exceptionnels, respectivement2,3. En raison de la forte demande en produits naturels, les approches d’obtention de composés spécifiques via l’ingénierie métabolique sont devenues une tendance majeure, nécessitant l’élucidation des voies de biosynthèse et l’identification des gènes clés impliqués dans ces voies.

La plupart des produits naturels obtenus à partir de plantes sont des métabolites spécialisés. Cependant, l’élucidation d’une voie de biosynthèse est limitée lorsque la voie est complexe et comprend plusieurs étapes, ce qui rend difficile l’identification des gènes pertinents4. De manière générale, l’émergence de métabolites spécialisés dans les plantes constitue un mécanisme de défense évolué qui protège les plantes contre un barrage de stress biotiques et abiotiques, dont la diversité chimique se reflète dans la diversité de leurs squelettes et dans leurs modifications chimiques5. En général, des squelettes similaires proviennent de voies de biosynthèse similaires au sein de plantes homologues. Cependant, les produits naturels basés sur les mêmes squelettes avec diverses modifications chimiques (par exemple, glycosylation, méthylation, hydroxylation, acylation, prénylation) sont divers au sein des espèces. De telles modifications structurelles jouent un rôle important dans la manière dont les plantes réagissent aux changements de l'environnement externe pour leur croissance et leur développement6.

Compte tenu des progrès rapides des technologies omiques récentes, il est désormais possible de retracer l’origine évolutive, la distribution et la composition des métabolites à l’échelle de la lignée7, et de faire la lumière sur leurs fonctions anciennes ou nouvelles, ainsi que sur l’émergence et le rayonnement de leurs voies biosynthétiques au fil du temps. time8 Par exemple, le Mint Plant Genome Project a apporté des contributions significatives à cet égard, en étudiant les modèles de distribution des terpénoïdes volatils dans la famille des Lamiaceae9 et en explorant les radiations de la voie iridoïde à travers diverses lignées10. Ils ont également permis de mieux comprendre les mécanismes à l’origine de la perte et de la réévolution ultérieure de la biosynthèse de la népétalactone dans la lignée Nepeta11. Un autre exemple très représentatif est l’origine de la morphinane du genre Papaver (Papaveraceae). En traçant les événements de fusion du gène STORR parmi les génomes de Papaver et les duplications du génome entier (WGD), les réarrangements chromosomiques et l'évolution du sous-génome corrélés, l'innovation de ce métabolite spécialisé a été démontrée. Par conséquent, l’établissement du mécanisme génétique pour la formation d’une diversité de produits naturels entre espèces est d’une grande importance pour comprendre les voies, fournissant des éléments synthétiques pour l’ingénierie métabolique et la sélection moléculaire.