Два вида растений независимо «изобрели» одно и то же сложное вещество с медицинским потенциалом

Растения производят огромное разнообразие природных соединений. Многие из них специфичны для определённых семейств, а иногда и для одного вида. Однако иногда одни и те же вещества встречаются у далёких друг от друга видов.

Ипекакуановые алкалоиды обнаружены у двух неродственных лекарственных растений: ипекакуаны (Carapichea ipecacuanha) из семейства горечавковых и сальвиелистного алангиума (Alangium salviifolium) из семейства кизиловых, известного в аюрведической медицине.

Экстракт ипекакуаны («сироп ипекакуаны») до 1980-х годов широко использовался в медицине (особенно в Северной Америке) для вызывания рвоты при отравлениях. Действующие рвотные вещества — цефаэлин и эметин — происходят от предшественника протоэметина, но путь их биосинтеза был в основном неизвестен.

«Последний общий предок этих видов жил более 100 миллионов лет назад, поэтому мы предположили, что они независимо разработали способы производства ипекакуановых алкалоидов», — говорит Майте Колинас, первый автор исследования в Nature Chemical Biology.

Исследователи обнаружили, что алкалоиды присутствуют во всех тканях обоих видов, но их уровень особенно высок в молодых листьях и подземных органах. Сравнивая ткани с высоким и низким содержанием алкалоидов, учёные выявили гены, потенциально вовлечённые в биосинтез.

Поэтапная реконструкция пути биосинтеза в модельном растении принесла сюрпризы:

• Первый шаг, вопреки ожиданиям, по-видимому, происходит спонтанно, без участия фермента.
• В процессе участвует необычный фермент, чья трёхмерная структура полностью отличается от всех других ферментов, катализирующих ту же реакцию — отщепление молекулы сахара.

Интересно, что этот сахарорасщепляющий фермент был обнаружен в ядре клетки, в то время как его субстрат предположительно находится в вакуоли. Такое пространственное разделение, вероятно, защищает растение от накопления высокореактивных и токсичных промежуточных соединений.

Однако если травоядное (например, гусеница) повреждает клетки, фермент и субстрат вступают в контакт, и токсичные вещества образуются именно тогда, когда это необходимо для защиты. Подобные системы с разделением компонентов уже описаны для других природных соединений, например, глюкозинолатов, сапонинов или монотерпеноидных индольных алкалоидов.

Сравнение ферментов, участвующих в биосинтезе у двух видов растений, указывает на то, что они эволюционировали независимо для производства одной и той же группы алкалоидов.

«Поскольку биосинтез ипекакуановых алкалоидов, по-видимому, развивался независимо, этот путь может служить моделью для изучения эволюции путей биосинтеза природных соединений», — говорит Сара О’Коннор, руководитель исследования.

Побочные метаболиты, особенно в алангиуме (например, тубулозин), также обладают интересными фармакологическими эффектами, но плохо изучены из-за низкого содержания. «Наше исследование может помочь производить эти вещества в больших количествах в будущем, чтобы подробнее изучить их фармакологическую активность».

В дальнейшей работе предстоит выяснить заключительные этапы биосинтеза, так как пока весь путь продемонстрирован только до центрального промежуточного продукта — протоэметина.