Verwendung von Glühwürmchengenen zum Verständnis der Cannabisbiologie

Cannabis, eine Pflanze, die wegen ihrer weitreichenden medizinischen Eigenschaften immer mehr Aufmerksamkeit erregt, enthält Dutzende von Verbindungen, die als Cannabinoide bekannt sind.

Eines der bekanntesten Cannabinoide ist Cannabidiolsäure (CBD), die zur Behandlung von Schmerzen, Entzündungen, Übelkeit und mehr eingesetzt wird.

Cannabinoide werden von Trichomen produziert, kleinen stacheligen Vorsprüngen auf der Oberfläche von Cannabisblüten. Abgesehen von dieser Tatsache wissen Wissenschaftler sehr wenig darüber, wie die Biosynthese von Cannabinoiden kontrolliert wird.

Yi Ma, wissenschaftlicher Assistenzprofessor, und Gerry Berkowitz, Professor am College of Agriculture, Health and Natural Resources, untersuchten die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen hinter der Entwicklung von Trichromen und der Cannabinoidsynthese.

Berkowitz und Ma entdeckten zusammen mit den ehemaligen Doktoranden Samuel Haiden und Peter Apicella Transkriptionsfaktoren, die für die Initiierung von Trichomen und die Biosynthese von Cannabinoiden verantwortlich sind. Transkriptionsfaktoren sind Moleküle, die bestimmen, ob ein Stück der DNA eines Organismus in RNA transkribiert und somit exprimiert wird.

In diesem Fall bewirken die Transkriptionsfaktoren, dass sich Epidermiszellen auf den Blüten in Trichome verwandeln. Die Entdeckung des Teams wurde kürzlich als Feature-Artikel in veröffentlicht Pflanzen. Verwandte Trichomforschung wurde auch in veröffentlicht Pflanzen direkt. Aufgrund der potenziellen wirtschaftlichen Auswirkungen des Gens hat UConn eine vorläufige Patentanmeldung für die Technologie eingereicht.

Aufbauend auf ihren Ergebnissen werden die Forscher weiter untersuchen, welche Rolle diese Transkriptionsfaktoren bei der Trichomentwicklung während der Blütenreifung spielen.

Berkowitz und Ma werden die interessierenden Promotoren (den Teil der DNA, an den Transkriptionsfaktoren binden) klonieren. Sie werden dann die Promotoren zusammen mit einer Kopie des Gens, das Glühwürmchen zum Leuchten bringt, bekannt als Glühwürmchen-Luciferase, in die Zellen einer Modellpflanze einbringen; Die Luciferase ist mit dem Cannabis-Promotor fusioniert, sodass der Luciferase-Reporter Licht erzeugt, wenn der Promotor durch ein Signal aktiviert wird. „Es ist eine raffinierte Methode, um Signale zu bewerten, die die Cannabinoidsynthese und die Trichomentwicklung orchestrieren“, sagt Berkowitz.

Die Forscher werden die geklonten Promotoren und Luciferase in ein Plasmid laden. Plasmide sind ringförmige DNA-Moleküle, die sich unabhängig von den Chromosomen replizieren können. Dadurch können die Wissenschaftler die interessierenden Gene exprimieren, obwohl sie nicht Teil der genomischen DNA der Pflanze sind. Sie bringen diese Plasmide in die Pflanzenblätter oder Protoplasten, Pflanzenzellen ohne die Zellwand.

Wenn der Promotor, der die Luciferase-Expression kontrolliert, mit den Transkriptionsfaktoren in Kontakt kommt, die für die Trichomentwicklung verantwortlich sind (oder durch andere Signale wie Pflanzenhormone ausgelöst werden), erzeugt der Luciferase-„Reporter“ Licht. Ma und Berkowitz werden ein Instrument namens Luminometer verwenden, das misst, wie viel Licht von der Probe kommt. Dies wird den Forschern sagen, ob die Promotorregionen, die sie untersuchen, von Transkriptionsfaktoren kontrolliert werden, die für die Steigerung der Trichomentwicklung verantwortlich sind, oder Gene modulieren, die für Cannabinoid-Biosyntheseenzyme kodieren. Sie können auch lernen, ob die Promotoren auf hormonelle Signale reagieren.

In früheren Arbeiten, die der Begründung für diesen experimentellen Ansatz zugrunde liegen, fanden Ma und Berkowitz zusammen mit dem Doktoranden Peter Apicella heraus, dass das Enzym, das THC in Cannabis-Trichomen herstellt, möglicherweise nicht der entscheidende begrenzende Schritt bei der Regulierung der THC-Produktion ist, sondern eher die Erzeugung des Vorläufers für THC (und CBD)-Produktion und der Transporter-erleichterte Transport des Vorläufers zum extrazellulären Bulbus könnten entscheidende Faktoren bei der Entwicklung von Cannabissorten mit hohem THC- oder CBD-Gehalt sein.

Die meisten Cannabisbauern bauen Hanf an, eine Cannabissorte mit einem natürlich niedrigeren THC-Gehalt als Marihuana. Derzeit enthalten die meisten Hanfsorten mit hohem CBD-Gehalt auch unannehmbar hohe THC-Gehalte. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die Hanfpflanzen immer noch das Enzym produzieren, das THC produziert. Wenn die Pflanze über 0,3 % THC enthält, gilt sie als bundesweit illegal und muss in vielen Fällen vernichtet werden. Ein besseres Verständnis darüber, wie die Pflanze THC produziert, bedeutet, dass Wissenschaftler das Enzym, das THC synthetisiert, mithilfe von Genom-Editing-Techniken wie CRISPR selektiv ausschalten könnten. Dies würde Pflanzen mit einem geringeren oder keinem THC-Gehalt hervorbringen.

„Wir stellen uns vor, dass das gewonnene grundlegende Wissen in neuartige genetische Werkzeuge und Strategien umgesetzt werden kann, um das Cannabinoidprofil zu verbessern, Hanfbauern bei dem gemeinsamen Problem der Überproduktion von THC zu helfen und der menschlichen Gesundheit zugute zu kommen“, sagen die Forscher.

Andererseits könnte dieses Wissen zur Produktion von Cannabispflanzen führen, die mehr von einem gewünschten Cannabinoid produzieren, wodurch es wertvoller und rentabler wird.