Опийный мак «научился» вырабатывать морфин 8 миллионов лет назад

Генетики проследили за эволюцией опийного мака и выяснили, что растение «научилось» вырабатывать алкалоид морфин сравнительно недавно, около восьми миллионов лет назад, говорится в статье, опубликованной в Science.

Из незрелых коробочек снотворного (или опийного) мака (Papaver somniferum) получают сгущенный сок — опиум. В нем содержится около 20 алкалоидов, в том числе, морфин, папаверин и кодеин, которые используют, как обезболивающие средства. Эти вещества до сих пор получают из мака, так как химически или биологически синтезировать их сложно и дорого.

В опийном маке морфин образуется из допамина и алкалоида тебаина, в качестве промежуточного вещества. Ключевыми ферментами в синтезе морфина являются цитохромы P450 и оксидоредуктаза, которые работают «в паре». Их гены образуют единый локус, STORR, который образовался в результате слияния участков генома.

В альтернативном случае из допамина образуется алкалоид носкапин (или наркотин), который используется как противокашлевое средство. Биосинтез носкапина происходит при участии ряда ферментов, которые в геноме мака образуют кластер, состоящий из 10 генов.

Британские, китайские и австралийские ученые во главе с Иэном Грэхемом (Ian Graham) из Йоркского университета секвенировали геном опийного мака и выяснили, как эволюционировал метаболизм алкалоидов.

Геном мака содержит 2,72 миллиарда пар оснований. Для сравнения, геном человека насчитывает около 3,1 миллиарда пар. Исследователи сравнили геном опийного мака с геномами 11 цветковых растений и выяснили, что разделение ближайших родственников — опийного мака из семейства маковых и водосбора голубого (Aquilegia coerulea) из семейства лютиковых — произошло около 110 миллионов лет назад. Вскоре после этого произошла перестройка генома опийного мака — полногеномная дупликация. А около 7,8 миллионов лет назад произошла еще одна полногеномная дупликация. Дупликацией называется удвоение отдельных генов, участков хромосом или, как в данном случае, всего генома. В результате появляются новые гены, так как после удвоения копии генов начинают развиваться независимо друг от друга и в них накапливаются разные мутации.

Ученые установили, что кластер генов, ответственных за синтез носкапина, появился в результате более древней дупликации, около 110 миллионов лет назад. А локус STORR, необходимый для выработки морфина, появился намного позже, в результате второй перестройки генома. Ряд генов, ответственных за синтез промежуточного для производства морфина тебаина, образовался раньше восьми миллионов лет назад, до второй полногеномной дупликации.

«Биохимики десятилетиями пытались выяснить, как происходила эволюция растений, в результате которой они смогли вырабатывать огромное количество химических веществ. С помощью высококачественной сборки генома мы смогли расшифровать, что происходило в геноме опийного мака», — объясняет Грэхем. «В то же время это исследование обеспечит основу для разработки инструментов для молекулярной селекции растений. Их можно будет использовать для надежного и дешевого производства обезболивающих препаратов не только в развитых, но и развивающихся странах».

По мере развития методов секвенирования, у ученых становится все больше возможностей для получения выскококачественных геномов. Так, совсем недавно был опубликован самый подробный геном пшеницы, а незадолго до этого исследователи проследили за эволюцией одомашнивания винограда и историей роз.