Veratrum maackii와 Veratrum nigrum의 비교 전사체 분석을 통해 스테로이드 알칼로이드 생합성에 관여하는 여러 후보 유전자가 밝혀졌습니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8198(2023) 이 기사 인용

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Veratrum(Melanthiaaceae; Liliales)은 독특한 생리활성 스테로이드 알칼로이드 생산으로 알려진 다년생 허브의 속입니다. 그러나 많은 하류 효소 단계가 아직 해결되지 않았기 때문에 이러한 화합물의 생합성은 불완전하게 이해되었습니다. RNA-Seq은 대사 활성 조직의 전사체를 관심 경로가 없는 대조군과 비교하여 대사 경로와 관련된 후보 유전자를 식별하는 데 사용할 수 있는 강력한 방법입니다. 야생 Veratrum maackii 및 Veratrum nigrum 식물의 뿌리 및 잎 전사체의 서열이 분석되었으며 437,820개의 깨끗한 판독이 203,912개의 고유 유전자로 조립되었으며 그 중 47.67%에 주석이 달렸습니다. 우리는 스테로이드 알칼로이드의 합성에 잠재적으로 관여하는 235개의 차별적으로 발현된 고유 유전자를 확인했습니다. 새로운 후보 시토크롬 P450 모노옥시게나제 및 전사 인자를 포함한 20개의 고유 유전자가 정량적 실시간 PCR에 의한 검증을 위해 선택되었습니다. 대부분의 후보 유전자는 잎보다 뿌리에서 더 높은 수준으로 발현되었지만 두 종 모두에서 일관된 프로필을 보여주었습니다. 스테로이드 알칼로이드의 합성에 관여하는 것으로 추정되는 20개의 고유 유전자 중 14개가 이미 알려져 있습니다. 우리는 세 가지 새로운 CYP450 후보(CYP76A2, CYP76B6 및 CYP76AH1)와 세 가지 새로운 전사 인자 후보(ERF1A, bHLH13 및 bHLH66)를 식별했습니다. 우리는 ERF1A, CYP90G1-1 및 CYP76AH1이 V. maackii 뿌리의 스테로이드 알칼로이드 생합성의 주요 단계에 구체적으로 관여한다고 제안합니다. 우리의 데이터는 Veratrum 속의 스테로이드 알칼로이드 생합성에 대한 최초의 종간 분석을 나타내며 V. maackii와 V. nigrum의 대사 특성이 뚜렷한 알칼로이드 프로필에도 불구하고 광범위하게 보존된다는 것을 나타냅니다.

Veratrum은 북반구의 온대 지역에서 널리 자라는 약 40종의 다년생 초본 식물로 구성된 속입니다1,2. 비록 독성이 있지만 여러 Veratrum 종의 뿌리는 진통제, 염증3,4, 종양5,6,7, 악성 궤양8 및 혈전증1 치료를 위해 서양 약초학 및 전통 중국 의학의 맥락에서 주의해서 사용됩니다. 주요 활성 화합물은 저빈(및 그 유도체 사이클로파민), 세바닌, 베라트라민과 같은 스테로이드성 알칼로이드이며, 이는 세포 기반 분석 및 동물 모델에서 의학적으로 관련된 다양한 생체 활성을 보여줍니다9,10. Veratrum 종의 스테로이드 알칼로이드 합성에는 세포질 메발로네이트 및 MEP 경로에 의해 생성된 이소프레노이드 단위가 필요하며, 이는 여러 효소 단계를 통해 스쿠알렌, 순환 중간체 사이클로아르테놀, 최종적으로 콜레스테롤로 전환됩니다. 콜레스테롤을 스테로이드 알칼로이드로 전환하려면 시토크롬 P450 모노옥시게나제(CYP450s)와 글리코실트랜스퍼라제(GT)14,15,16라는 두 가지 주요 유전자 계열이 필요합니다. 스테로이드 알칼로이드 생합성을 조절하는 전사 인자와 마찬가지로 이 경로의 하류 부분에 관여하는 많은 효소는 알려져 있지 않습니다.

비교 전사체학은 대사 활성 조직을 관심 경로가 결여된 대조군과 비교하여 대사 효소를 코딩하는 유전자와 이를 조절하는 전사 인자를 식별할 수 있는 강력한 접근 방식입니다. 대사산물 수준과 RNA-Seq 데이터의 상관관계를 통해 최근 Veratrum californicum에서 스테로이드 알칼로이드 생합성에 관여하는 4가지 효소(3개의 CYP450 포함)가 확인되었습니다. 또한, Veratrum nigrum의 줄기, 잎 및 뿌리 전사체를 포괄적으로 비교한 결과, 사이클로아르테놀에서 콜레스테롤까지의 세그먼트에 있는 11개의 효소를 포함하여 경로의 다양한 부분에 관여하는 73개의 추가 후보 유전자가 밝혀졌습니다10. 여기서 우리는 유사한 비교 전사체학 접근 방식을 적용했지만 Veratrum 스테로이드 알칼로이드 생합성 경로의 공통 구성 요소뿐만 아니라 종간 차이를 조사하기 위해 서로 다른 스테로이드 알칼로이드 프로필을 가진 두 개의 Veratrum 종을 포함했습니다. 우리는 V. maackii와 V. nigrum 뿌리 및 잎 전사체를 비교하고 RT-PCR을 통해 유전자 발현의 차이를 검증했습니다. 우리의 결과는 스테로이드 알칼로이드 대사와 관련된 새로운 유전자 발견을 위한 귀중한 게놈 자원을 제공합니다.