Le cannabis, une plante qui attire de plus en plus l’attention pour ses nombreuses propriétés médicinales, contient des dizaines de composés connus sous le nom de cannabinoïdes.
L’un des cannabinoïdes les plus connus est l’acide cannabidiolique (CBD), qui est utilisé pour traiter la douleur, l’inflammation, les nausées et plus encore.
Les cannabinoïdes sont produits par les trichomes, de petites saillies pointues à la surface des fleurs de cannabis. Au-delà de ce fait, les scientifiques en savent très peu sur la façon dont la biosynthèse des cannabinoïdes est contrôlée.
Yi Ma, professeur adjoint de recherche, et Gerry Berkowitz, professeur au Collège de l’agriculture, de la santé et des ressources naturelles, ont étudié les mécanismes moléculaires sous-jacents au développement du trichrome et à la synthèse des cannabinoïdes.
Berkowitz et Ma, ainsi que d’anciens étudiants diplômés Samuel Haiden et Peter Apicella, ont découvert des facteurs de transcription responsables de l’initiation des trichomes et de la biosynthèse des cannabinoïdes. Les facteurs de transcription sont des molécules qui déterminent si un morceau d’ADN d’un organisme sera transcrit en ARN, et donc exprimé.
Dans ce cas, les facteurs de transcription provoquent la transformation des cellules épidermiques des fleurs en trichomes. La découverte de l’équipe a récemment été publiée sous la forme d’un article de fond dans Végétaux. Des recherches connexes sur les trichomes ont également été publiées dans Usine directe. En raison de l’impact économique potentiel du gène, UConn a déposé une demande de brevet provisoire sur la technologie.
S’appuyant sur leurs résultats, les chercheurs continueront d’explorer comment ces facteurs de transcription jouent un rôle dans le développement des trichomes pendant la maturation des fleurs.
Berkowitz et Ma cloneront les promoteurs (la partie de l’ADN à laquelle les facteurs de transcription se lient) d’intérêt. Ils placeront ensuite les promoteurs dans les cellules d’une plante modèle avec une copie du gène qui fait s’allumer les lucioles, connu sous le nom de luciférase de luciole ; la luciférase est fusionnée au promoteur du cannabis, donc si le promoteur est activé par un signal, le rapporteur de la luciférase générera de la lumière. « C’est une façon astucieuse d’évaluer les signaux qui orchestrent la synthèse des cannabinoïdes et le développement des trichomes », déclare Berkowitz.
Les chercheurs chargeront les promoteurs clonés et la luciférase dans un plasmide. Les plasmides sont des molécules d’ADN circulaires qui peuvent se répliquer indépendamment des chromosomes. Cela permet aux scientifiques d’exprimer les gènes d’intérêt même s’ils ne font pas partie de l’ADN génomique de la plante. Ils délivreront ces plasmides dans les feuilles ou les protoplastes des plantes, des cellules végétales sans paroi cellulaire.
Lorsque le promoteur contrôlant l’expression de la luciférase entre en contact avec les facteurs de transcription responsables du développement des trichomes (ou déclenchés par d’autres signaux tels que les hormones végétales), le « rapporteur » de la luciférase produira de la lumière. Ma et Berkowitz utiliseront un instrument appelé luminomètre, qui mesure la quantité de lumière provenant de l’échantillon. Cela indiquera aux chercheurs si les régions promotrices qu’ils étudient sont contrôlées par des facteurs de transcription responsables de l’augmentation du développement des trichomes ou de la modulation des gènes qui codent pour les enzymes biosynthétiques des cannabinoïdes. Ils peuvent également savoir si les promoteurs répondent aux signaux hormonaux.
Dans des travaux antérieurs sous-tendant la justification de cette approche expérimentale, Ma et Berkowitz, ainsi que l’étudiant diplômé Peter Apicella, ont découvert que l’enzyme qui fabrique le THC dans les trichomes de cannabis n’est peut-être pas l’étape limitante critique régulant la production de THC, mais plutôt la génération du précurseur du THC. (et CBD) et la navette facilitée par le transporteur du précurseur du bulbe extracellulaire pourraient être des déterminants clés dans le développement de souches de cannabis à forte teneur en THC ou en CBD.
La plupart des producteurs de cannabis cultivent du chanvre, une variété de cannabis avec des niveaux de THC naturellement inférieurs à ceux de la marijuana. Actuellement, la plupart des variétés de chanvre qui ont des niveaux élevés de CBD contiennent également des niveaux inacceptables de THC. C’est probablement parce que les plantes de chanvre fabriquent toujours l’enzyme qui produit le THC. Si la plante contient plus de 0,3 % de THC, elle est considérée comme illégale au niveau fédéral et, dans de nombreux cas, doit être détruite. Une meilleure compréhension de la façon dont la plante produit du THC signifie que les scientifiques pourraient éliminer de manière sélective l’enzyme qui synthétise le THC en utilisant des techniques d’édition du génome telles que CRISPR. Cela produirait des plantes avec des niveaux inférieurs ou sans THC.
« Nous envisageons que les connaissances fondamentales obtenues puissent être traduites en nouveaux outils et stratégies génétiques pour améliorer le profil des cannabinoïdes, aider les producteurs de chanvre à résoudre le problème commun de la surproduction de THC et bénéficier à la santé humaine », déclarent les chercheurs.
D’un autre côté, ces connaissances pourraient conduire à la production de plants de cannabis qui produisent plus d’un cannabinoïde désiré, le rendant plus précieux et plus rentable.
Samuel R. Haiden et al, La surexpression de CsMIXTA, un facteur de transcription de Cannabis sativa, augmente la densité des trichomes glandulaires dans les feuilles de tabac, Végétaux (2022). DOI : 10.3390/plants11111519
Peter V. Apicella et al, Délimiter la régulation génétique de la biosynthèse des cannabinoïdes pendant le développement de la fleur femelle chez Cannabis sativa, Usine directe (2022). DOI : 10.1002/pld3.412