L'analyse de cellules végétales uniques permet de mieux comprendre la biosynthèse des produits naturels
La multi-omique unicellulaire révèle que les types de cellules sont impliqués de manière différentielle dans la production et l'accumulation de composés végétaux d'intérêt médical
Dans une nouvelle étude publiée dans Nature Chemical Biology, une équipe internationale de chercheurs de l'université de Géorgie (États-Unis) et de l'Institut Max Planck d'écologie chimique d'Iéna (Allemagne) présente une stratégie prometteuse pour élucider les voies métaboliques des composés végétaux d'importance médicinale. L'équipe de recherche a étudié la biosynthèse de deux alcaloïdes de la plante Catharanthus roseus qui sont utilisés en médecine humaine comme agents anticancéreux. Les gènes responsables de la formation de ces substances actives sont exprimés dans différents types de cellules. En utilisant des analyses unicellulaires, les scientifiques ont pu découvrir de nouveaux gènes importants pour la biosynthèse et montrer que les intermédiaires de la voie métabolique s'accumulent dans des types de cellules spécifiques. Les chercheurs prévoient que cette approche méthodologique fournira de nouvelles informations importantes sur la biosynthèse de nombreux autres produits naturels du règne végétal.
Les plantes sont impressionnantes par leur diversité, mais surtout par la variété des métabolites qu'elles produisent. De nombreux produits naturels végétaux sont des molécules très complexes, comme les alcaloïdes vincristine et vinblastine, produits par la pervenche de Madagascar Catharanthus roseus. Ces deux substances sont d'ores et déjà incontournables dans la thérapie anticancéreuse.
Les chercheurs sont très intéressés par la découverte des différentes étapes de biosynthèse nécessaires à la formation de ces molécules complexes. "Actuellement, ces composés sont encore obtenus en très petites quantités à partir de l'extrait de feuilles de la plante. Nous pouvons apprendre de la plante comment ce composé est produit et utiliser ces connaissances pour développer des systèmes de production plus rentables, évolutifs et durables", a déclaré le premier auteur, Chenxin Li, du Center for Applied Genetic Technologies de l'université de Géorgie, en décrivant l'objectif de la recherche.
Attribution d'informations génétiques et métaboliques à des cellules individuelles d'organes végétaux
Les scientifiques savent que l'activité des gènes n'est pas la même dans toutes les cellules d'une plante et que la chimie peut varier considérablement d'une cellule à l'autre. L'objectif de l'étude actuelle était donc d'utiliser un nouvel ensemble de méthodes appelées collectivement "omiques unicellulaires" pour étudier des types de cellules rares et spécialisées qui jouent un rôle central dans la biosynthèse des produits naturels végétaux et dont les signaux sont souvent masqués par des types de cellules plus abondants dans les organes végétaux. "Avec l'omique unicellulaire, nous disposons d'une méthode qui permet aux chercheurs d'attribuer des informations génétiques et métaboliques à des cellules individuelles. Le terme omique fait référence au fait qu'une collection entière de gènes ou de métabolites est quantifiée et analysée", explique Lorenzo Caputi, chef du groupe de projet sur la biosynthèse des alcaloïdes au sein du département de biosynthèse des produits naturels à Iéna et l'un des principaux auteurs, pour expliquer l'approche méthodologique.
Voie de biosynthèse de la vinblastine - organisée en trois types de cellules distinctes
Comme l'ont montré les analyses, l'ensemble de la voie de biosynthèse de l'alcaloïde vinblastine est organisé en trois étapes et trois types de cellules distincts. "La première étape est exprimée exclusivement dans des cellules spécialisées associées aux faisceaux vasculaires de la feuille, appelées IPAP. La deuxième étape de la voie de biosynthèse est exprimée uniquement dans les cellules de l'épiderme, la couche de cellules qui recouvre les feuilles, et les dernières étapes connues de la voie de biosynthèse sont exprimées exclusivement dans les idioblastes, un type cellulaire rare de la feuille", résume Chenxin Li dans ses résultats.
Les chercheurs ont mesuré les concentrations de plusieurs intermédiaires de la voie métabolique de la vinblastine dans des cellules individuelles et ont été surpris : "Deux précurseurs importants de la vinblastine, la catharanthine et la vindoline, sont présents dans les cellules idioblastes à des concentrations millimolaires, environ trois ordres de grandeur plus élevées que la vinblastine elle-même. La concentration des deux précurseurs dans ces cellules était beaucoup plus élevée que prévu et dépassait même leurs concentrations dans les extraits d'organes entiers. Cependant, cette observation est logique dans la mesure où la catharanthine et la vindoline n'ont été trouvées que dans les rares cellules idioblastes. Les autres cellules abondantes dans la feuille diluent la concentration élevée lorsque les feuilles entières sont écrasées", explique Sarah O'Connor, chef du département de biosynthèse des produits naturels.
L'équipe de recherche est convaincue que l'organisation des voies de biosynthèse des alcaloïdes médicinaux chez Catharanthus roseus n'est pas un phénomène isolé. "Nous commençons à peine à comprendre comment et pourquoi une telle organisation spécifique à un type de cellule existe. En outre, l'analyse des gènes exprimés simultanément dans un type cellulaire particulier nous a permis d'identifier de nouveaux acteurs dans cette voie métabolique. La même technique peut être utilisée pour étudier la biosynthèse de nombreux autres produits naturels. Enfin, les sites exacts d'accumulation des composés végétaux, tels que l'épiderme, le système vasculaire ou le canal du latex, peuvent nous aider à formuler des hypothèses sur les rôles écologiques des produits naturels. Par exemple, en fonction du schéma d'accumulation, les composés peuvent être plus efficaces contre les insectes piqueurs que contre les insectes suceurs de sève", explique Robin Buell, professeur à l'université de Géorgie.
Une meilleure compréhension des voies de biosynthèse des médicaments anticancéreux que sont la vincristine et la vinblastine pourrait également permettre de produire ou de récolter ces composés plus efficacement à long terme. L'utilisation des méthodes décrites est également prometteuse pour l'étude de nombreux autres produits naturels intéressants et médicalement importants du règne végétal. L'approche décrite ici permettra d'identifier ces cellules rares et spécialisées et de découvrir les activités génétiques et la chimie qui leur sont propres.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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