Метод mpXsn выявил восемь новых ферментов для ускоренного производства противоракового препарата

Исследователи из Стэнфордского университета обнаружили восемь ранее неизвестных генов, экспрессия которых в листьях табака позволяет воссоздать предшественник таксола — баккатин III — в концентрациях, сопоставимых с его естественным содержанием в хвое тиса. Это открытие может ускорить производство жизненно важного противоракового препарата.

Тисы рода Taxus являются природным источником паклитаксела — мощного химиотерапевтического средства, продаваемого под названием Таксол. В этих медленнорастущих хвойных деревьях самые высокие концентрации поздних интермедиатов, таких как баккатин III, накапливаются в коре (0.001–0.050% от сухого веса) и, в меньшей степени, в хвое молодых побегов.

Прямое извлечение паклитаксела из тиса даёт настолько мало материала, что производители предпочитают полусинтезировать его из более доступного промежуточного продукта — баккатина III. Даже этот промышленный стандарт остаётся крайне неэффективным по сравнению с другими современными методами производства лекарств.

Проблему усугубляют экологические и экономические издержки: сбор коры, которая защищает дерево, часто приводит к его гибели, тогда как сбор хвои более устойчив, но концентрация целевых соединений в ней ниже. Требуется полностью устойчивое биосинтетическое решение.

В период с конца 1990-х по 2006 год были охарактеризованы 12 ферментов пути биосинтеза таксола. С тех пор прогресс застопорился, и полная система производства оставалась неизвестной из-за множества пропущенных этапов.

В исследовании «Discovery of FoTO1 and Taxol genes enables biosynthesis of baccatin III», опубликованном в Nature, учёные разработали метод мультиплексной пертурбации × одноядерной транскриптомики (multiplexed perturbation × single-nucleus, mpXsn) для анализа метаболических модулей тиса.

Были профилированы 17 143 одноядерных транскриптома из 272 образцов тканей, типов клеток, стадий развития и условий обработки индукторами из хвои Taxus media, которые затем были сведены в 2 901 псевдообъединённое клеточное состояние.

Лучшие кандидаты были функционально протестированы путём временной экспрессии в листьях табака Nicotiana benthamiana, а метаболические продукты проанализированы с помощью газовой хроматографии–масс-спектрометрии и ЯМР-спектроскопии.

В результате скрининга было выявлено восемь ранее не охарактеризованных генов, включая белок, подобный фактору ядерного транспорта 2 (FoTO1), который повышает точность первой стадии окисления. Несколько других обнаруженных ферментов выполняют ключевые этапы превращения субстрата в баккатин III. Два из недостающих ферментов имели сходную каталитическую функцию, несмотря на независимую эволюцию.

По словам авторов, «идентификация новых генов таксола проливает свет на причины, по которым они так долго оставались неизвестными. Для восстановления пути потребовались неожиданные семейства генов и их функционализация».

Метод mpXsn преодолел ограничения разрешающей способности транскриптомики в большом сложном геноме. Это не просто геномное открытие: метод, по сути, раскрыл естественный процесс, ведущий к полному синтезу паклитаксела, что является важным концептуальным прорывом как в изучении скрытых функций генов, так и в производстве Таксола.

Вновь идентифицированные ферменты предлагают потенциальную альтернативу получению баккатина III из тиса, прокладывая путь к устойчивому крупномасштабному биопроизводству паклитаксела.

Помимо биосинтеза паклитаксела, платформа mpXsn будет полезна для изучения интересующих наборов генов у других немодельных организмов.

Эукариоты, в особенности, представляют серьёзную проблему для функциональной геномики и открытия генов, поскольку у них, как правило, отсутствуют комплексные кластеры генов, характерные для прокариот.

Методы, подобные mpXsn, которые с высокой точностью и доступностью фиксируют ковариацию генов в сотнях транскрипционных состояний, могут помочь преодолеть эту давнюю проблему в функциональной геномике.