Первая в мире карта хромосом каннабиса раскрывает эволюционное прошлое растения и указывает на его будущее в качестве потенциального лекарства.
ТГК и КБД, биологически активные вещества, вырабатываемые каннабисом и разыскиваемые пациентами и рекреационными пользователями, возникли благодаря древней колонизации генома растения вирусами, как обнаружили исследователи U of T.
Это открытие является лишь одним из выводов, сделанных долгожданной картой генома каннабиса с подробным описанием расположения генов на хромосомах, недавно опубликованной в журнале Genome Research. Среди других открытий - открытие гена, ответственного за выработку каннабихромена, или CBC, менее известного каннабиноида, поскольку известны активные вещества в каннабисе, и новое понимание того, как определяется эффективность штамма.
«Хромосомная карта является важным основополагающим ресурсом для дальнейших исследований, которые, несмотря на широкое использование каннабиса, отстают от других культур из-за ограничительного законодательства», - говорит Тим Хьюз, профессор Центра клеточных и биомолекулярных исследований Доннелли. Научный сотрудник и соруководитель исследования. Хьюз также является профессором кафедры молекулярной генетики и старшим научным сотрудником Канадского института развития исследований.
Исследователи ожидают, что карта ускорит селекционные усилия по созданию новых штаммов с желаемыми лечебными свойствами, а также сортов, которые можно выращивать более устойчиво или с повышенной устойчивостью к болезням и вредителям.
Исследование было совместным из трех частей между командой Тима Хьюза и Джонатаном Пейджем из Aurora Cannabis и Университета Британской Колумбии, а также Хармом ван Бакелом из Медицинской школы Икана на горе Синай в Нью-Йорке. Йорк.
Хьюз, Пейдж и ван Бейкл впервые собрались вместе в 2011 году, когда они выпустили первый проект генома каннабиса, который был слишком фрагментирован, чтобы выявить положение генов в хромосомах.
Новая карта показывает, как конопля и марихуана, принадлежащие к одному и тому же виду Cannabis sativa, эволюционировали как отдельные штаммы с разными химическими свойствами. Растения каннабиса, выращенные для употребления наркотиков («марихуана»), богаты психоактивным тетрагидроканнабинолом, или ТГК, тогда как конопля производит каннабидиол, или КБД, популярный в последнее время благодаря своему лечебному потенциалу. Некоторые люди используют КБД для облегчения боли, а также его тестируют для лечения эпилепсии, шизофрении и болезни Альцгеймера.
Ферменты, производящие ТГК и КБД, кодируются генами синтазы THCA и CBDA соответственно. Оба находятся на хромосоме 6 из десяти хромосом, в которые упакован геном каннабиса. Там гены ферментов окружены огромными участками искаженной ДНК, полученной от вирусов, колонизировавших геном миллионы лет назад. Эта вирусная ДНК, или, как ее еще называют, ретроэлементы, создавала свои копии, которые распространялись по всему геному, перескакивая на другие участки ДНК клетки-хозяина.
«Геномы растений могут содержать миллионы копий ретроэлементов», - говорит ван Бакел, доцент Института науки о данных и геномных технологий Икана в Нью-Йорке и отдела генетики и геномных наук. «Это означает, что связывание генов на хромосомах аналогично сборке огромной головоломки, в которой три четверти частей почти одного цвета. Комбинация генетической карты и технологии секвенирования PacBio позволила нам увеличить размер частей головоломки и найти достаточно отличительные признаки для облегчения процесса сборки и точного определения генов синтазы."
Исследователи полагают, что дупликация наследственного гена синтазы и расширение ретроэлементов привели к тому, что древний каннабис разделился на химически разные типы. Впоследствии люди отбирали растения, содержащие желаемый химический состав, например, с высоким содержанием ТГК.
Последовательности генов для синтаз THCA и CBDA почти идентичны, что подтверждает идею о том, что они происходят из одного и того же гена, который был продублирован миллионы лет назад. Со временем одна или обе копии гена запутались из-за вторжения ретроэлементов, и, развиваясь по отдельности, они в конечном итоге стали продуцировать два разных фермента - CBDA-синтазу, обнаруженную в конопле (волокнистый тип), и THCA-синтазу в лекарственном типе (марихуана).
Поскольку ферменты очень похожи на уровне ДНК, до этого исследования даже не было ясно, кодируются ли они отдельными генами или двумя версиями одного и того же гена. Путаницу усугублял тот факт, что большинство сортов производят как КБД, так и ТГК, несмотря на усилия селекционеров выращивать сорта конопли, свободные от изменяющего сознание ТГК, для пользователей, которые хотят его избежать..
Хромосомная карта теперь ясно показывает, что задействованы два разных гена, что должно позволить разделить их во время селекции для выращивания растений без ТГК.
Некоторые психоактивные эффекты в медицинских штаммах могут исходить от CBC, менее известного каннабиноида, обладающего необычной фармакологией, включая противовоспалительные свойства. Открытие гена, отвечающего за синтез CBC, позволит селекционерам адаптировать его содержание в будущих сортах.
«Основная наука до сих пор не сделала достаточно из-за ограничений на исследования», - говорит Пейдж из UBC и главный научный сотрудник Aurora, одного из крупнейших канадских производителей медицинского каннабиса. «Легализация и надвигающаяся легкость регулирования исследований действительно открывают возможности для проведения дополнительных исследований. И Канада лидирует».