Pesquisadores produziram duas sequências genômicas excepcionalmente completas da maconha, revelando novos detalhes sobre como a maconha desenvolveu os genes responsáveis pela produção de THC, CBD e CBC. As descobertas rastreiam a origem desses genes até um antigo evento evolutivo que ocorreu antes que a cannabis e o lúpulo se tornassem linhagens de plantas separadas.
O estudo, publicado no periódico Plant Biotechnology Journal, foi conduzido por pesquisadores da Academia Chinesa de Ciências Agrícolas, da Universidade Agrícola de Huazhong e da Universidade de Yangzhou. Ao reconstruir porções do genoma da maconha que antes eram difíceis de sequenciar, a equipe identificou evidências que ajudam a explicar como a planta desenvolveu suas capacidades distintas de produção de canabinoides.
Uma das principais descobertas do estudo diz respeito a um grupo de genes conhecidos como sintases de canabinoides. Esses genes fornecem as instruções para enzimas envolvidas na produção de THCA, CBDA e CBCA, os precursores ácidos que se convertem em THC, CBD e CBC por meio de um processo chamado descarboxilação. Embora os cientistas compreendam as funções básicas dessas enzimas há anos, sua história evolutiva precisa permanece difícil de reconstruir.
Pesquisadores encontraram evidências de que o processo começou com o que descreveram como “uma duplicação precursora anterior à separação entre Cannabis e Humulus”. Humulus é o gênero de plantas que inclui o lúpulo, planta amplamente utilizada na produção de cerveja e parente evolutivo próximo da cannabis.
A análise sugere que um gene ancestral foi duplicado antes da separação das duas linhagens de plantas, um evento que os pesquisadores estimam ter ocorrido há aproximadamente 17 milhões de anos. Após essa separação, a cannabis reteve duas linhagens genéticas relacionadas, agora associadas aos cromossomos 2 e 7, enquanto a linhagem do lúpulo examinada no estudo reteve apenas uma contraparte semelhante aos genes do cromossomo 2.
Na maconha, a linhagem do cromossomo 7 sofreu duplicações e alterações genéticas adicionais, dando origem, eventualmente, às enzimas especializadas responsáveis pela produção de diferentes canabinoides. A linhagem do cromossomo 2 reteve características mais semelhantes aos genes ancestrais, em vez de desenvolver as mesmas funções de produção de canabinoides.
Essa distinção ajuda a explicar por que a cannabis produz seus compostos canabinoides característicos, enquanto seus parentes próximos não possuem o mesmo mecanismo especializado. Os pesquisadores descobriram que os genes que codificam as sintases relacionadas ao THC, CBD e CBC, já caracterizadas, estavam restritos à maconha dentre as espécies de plantas examinadas.
Os pesquisadores também identificaram uma relação importante entre os três genes da sintase. Os genes associados à produção de THC e CBC estavam mais intimamente relacionados entre si, enquanto a linhagem produtora de CBD ocupava uma posição de ramificação anterior dentro do grupo. Isso corrobora um modelo no qual duplicações gênicas sucessivas e mudanças evolutivas produziram enzimas com diferentes funções químicas.
Para chegar a essas conclusões, a equipe desenvolveu duas montagens genômicas completas a partir de uma planta de cannabis fêmea, rica em CBD, cultivada na China. A planta, denominada Golden Cannabis sativa, foi derivada de cultivares chinesas e continha aproximadamente 4% de CBD, sem THC detectável nas condições de teste dos pesquisadores.
Os dois conjuntos representavam conjuntos separados de cromossomos herdados da mesma planta, em vez de genomas de duas plantas diferentes. Eles mediam aproximadamente 741 milhões e 745 milhões de pares de bases de DNA, respectivamente, e cada um continha 10 cromossomos totalmente montados.
Ambas as sequências alcançaram índices de completude genômica superiores a 99%, com os pesquisadores identificando aproximadamente 27.000 genes em cada montagem. Ao contrário de muitas sequências genômicas de cannabis anteriores, nenhuma delas apresentou lacunas em seus cromossomos montados.
Esse nível de completude foi particularmente importante porque aproximadamente 79% do genoma da maconha consistia em sequências repetitivas de DNA. Essas regiões repetitivas podem ser excepcionalmente difíceis de reconstruir com precisão, pois grandes porções se assemelham umas às outras, o que complica os esforços para determinar onde os genes individuais estão localizados e como evoluíram.
Esforços anteriores de sequenciamento deixaram lacunas não resolvidas em algumas dessas regiões, incluindo porções do cromossomo 7 que contêm genes da sintase de canabinoides. As novas montagens permitiram aos pesquisadores examinar o arranjo, a duplicação e as relações evolutivas desses genes com uma precisão consideravelmente maior.
A análise também revelou diferenças substanciais na forma como os genes produtores de canabinoides estão organizados entre as variedades de cannabis. Em alguns genomas examinados, as regiões associadas aos genes da sintase de THC e CBD estavam separadas por aproximadamente 10 a 30 milhões de pares de bases de DNA. Em outros, a distância era consideravelmente menor, variando de 4 a 5 milhões de pares de bases.
Essas diferenças indicam que porções do genoma da cannabis sofreram rearranjos substanciais durante a história evolutiva e de melhoramento da planta. Elas também demonstram por que confiar em um único genoma de referência pode fornecer uma visão incompleta da diversidade genética entre as variedades de cannabis.
Outra descoberta envolveu o número de cópias do gene da sintase de canabinoides. Embora os pesquisadores tenham identificado inúmeras sequências relacionadas, muitas continham mutações que pareciam impedi-las de produzir enzimas funcionais. Em todas as montagens de genoma examinadas, não foi identificada mais de uma cópia intacta do gene principal da sintase de CBD ou THC por genoma haploide.
A pesquisa também examinou como esses genes se comportam durante a floração. Em plantas com predominância de CBD, o gene da sintase de CBD apresentou forte atividade, enquanto o gene da sintase de CBC exibiu expressão substancialmente menor. Outros genes relacionados apresentaram expressão fraca ou pareceram inativos.
Essas descobertas sugerem que a produção de canabinoides depende de mais do que simplesmente possuir genes específicos. O fato de esses genes permanecerem funcionais, como estão organizados no genoma e o grau de expressão gênica são fatores que contribuem para as diferenças entre as variedades de maconha.
Os pesquisadores também examinaram uma questão antiga sobre se a cannabis passou por múltiplas rodadas de duplicação de todo o genoma durante sua história evolutiva. Alguns estudos anteriores sugeriram que a maconha passou por eventos adicionais nos quais todo o seu material genético foi duplicado, o que poderia explicar seu genoma complexo.
No entanto, a nova análise não encontrou “nenhuma evidência de duplicação adicional de genoma completo específica de linhagem” na cannabis.
Em vez disso, os pesquisadores identificaram evidências de um antigo evento de triplicação do genoma, compartilhado com muitas outras plantas com flores. Eles concluíram que grande parte da diversificação subsequente do genoma da cannabis resultou de duplicações gênicas em menor escala, da movimentação de elementos genéticos repetitivos e de rearranjos estruturais, em vez de duplicações adicionais de todo o genoma.
Os resultados são consistentes com pesquisas genômicas mais recentes que desafiam interpretações anteriores da evolução do genoma da maconha. Eles também fornecem evidências adicionais de que a evolução da produção especializada de canabinoides foi impulsionada por mudanças em famílias de genes específicas, em vez de uma duplicação completa do material genético da planta.
Os pesquisadores afirmam que as informações genômicas aprimoradas poderão, eventualmente, apoiar pesquisas mais precisas sobre o melhoramento genético e a biotecnologia da cannabis. Compreender quais genes são funcionais, como são regulados e onde estão localizados poderá ajudar os cientistas a investigar por que diferentes variedades produzem perfis de canabinoides distintos.
No entanto, o estudo envolveu principalmente o sequenciamento do genoma, a análise genética comparativa e as medições da expressão gênica. Ele não demonstrou que as relações evolutivas identificadas pudessem ser usadas imediatamente para aumentar a produção de canabinoides, nem os pesquisadores criaram novas variedades de cannabis por meio de modificação genética.
Os autores identificaram como um importante próximo passo trabalhos futuros que combinem sequências genômicas completas com medições da atividade gênica e das concentrações de canabinoides. Essa pesquisa poderia ajudar a determinar como diferenças estruturais específicas no DNA da maconha influenciam as quantidades e combinações de canabinoides produzidas por plantas individuais.
Referência de texto: The Marijuana Herald
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