Metabolismo de nicotina no gênero NICOTIANA : identificação e análise evolutiva da subfamília CYP82E e seu papel na conversão de nicotina em precursores de nicotisaminas com potencial cancerígeno

Abstract

O tabaco (Nicotiana tabacum) pertence à família Solanaceae, sendo uma cultura de grande importância econômica. O Brasil é o segundo maior produtor e o maior exportador de tabaco em folha do mundo, e os três estados do sul do país são responsáveis por mais de 90% da produção. As plantas do gênero Nicotiana são conhecidas pela sua composição de alcaloides. A nicotina é o principal alcaloide encontrado nas plantas desse gênero, seguida por nornicotina, anabasina e anatabina. Contudo, a composição de alcaloides pode variar muito dependendo da espécie de Nicotiana. Os alcaloides são compostos muito importantes para as plantas, pois atuam na defesa contra herbívoros. A nicotina é sintetizada nas raízes das plantas através de um processo complexo, envolvendo diversas enzimas e transportadores. Após sintetizada, a nicotina é translocada pelo xilema até as folhas, onde é estocada nos vacúolos e/ou metabolizada em outros alcaloides. O primeiro capítulo deste trabalho consistiu em um artigo de revisão sobre a biossíntese, o transporte e o metabolismo da nicotina em Nicotiana. Assim, pode-se identificar as questões ainda não esclarecidas sobre essas vias, e que merecem mais atenção em futuros trabalhos. A nornicotina é o segundo alcaloide mais encontrado em Nicotiana, sendo sintetizada a partir da desmetilação da nicotina. A reação de desmetilação é catalisada por enzimas nicotina N-desmetilases (NND), codificadas por genes da subfamília CYP82E. A nornicotina, por sua vez, pode reagir espontaneamente com óxidos de nitrogênio presentes nas folhas de tabaco, dando origem a N-nitrosonornicotina (NNN), uma substância cancerígena do grupo das Nitrosaminas Específica do Tabaco (TSNA – Tobacco Specific Nitrosamines). Considerando a importância dessa TSNA para a saúde humana, diversos estudos têm sido realizados a fim de reduzir a produção do seu precursor, a nornicotina, pelas plantas de tabaco. No segundo capítulo deste trabalho, apresentamos a identificação de novos genes putativos da subfamília CYP82E em diferentes espécies do gênero Nicotiana, e uma filogenia incluindo os novos genes identificados. Além disso, as sequências encontradas foram caraterizadas utilizando ferramentas in silico, e algumas predições em comum foram observadas para a maioria das sequências. Assim, conhecer todos os genes que codificam enzimas NND, bem como caracterizar essas enzimas e entender a organização da subfamília gênica CYP82E, podem ser fatores essenciais para desenvolver novas soluções com o objetivo de reduzir substâncias cancerígenas em produtos de tabaco, especialmente as TSNA.

Tobacco (Nicotiana tabacum) belongs to the Solanaceae family, being a crop of great economic importance. Brazil is the second largest producer and the largest exporter of tobacco leaf in the world, and the three southern states account for more than 90% of production. Nicotiana plants are known by its alkaloid composition. Nicotine is the main alkaloid found in plants of this genus, followed by nornicotine, anabasine and anatabine. However, the alkaloid composition may vary widely depending on the Nicotiana species. The alkaloids are very important compounds to the plants, since they act in the defense against herbivores. Nicotine is synthesized in the plant roots though a complex process involving several enzymes and transporters. After synthesized, nicotine is translocated via xylem to the leaves, where it is stored in the vacuoles and/ or metabolized in other alkaloids. The first chapter of this work consisted of a review article on nicotine biosynthesis, transport and metabolism in Nicotiana. Thus, it was possible to identify the questions not yet clarified about these pathways, and that need further investigation. Nornicotine is the second most commonly found alkaloid in Nicotiana, being synthesized from nicotine demethylation. The demethylation reaction is catalyzed by nicotine N-demethylase enzymes (NND), encoded by genes of the CYP82E subfamily. Nornicotine, on its turn, can spontaneously react with nitrogen oxides present in the plant leaves, giving rise to N-nitrosonornicotine (NNN), a carcinogen from Tobacco Specific Nitrosamine (TSNA) group. Considering the importance of NNN to the human health, several studies have been carried on to reduce the production of its precursor, nornicotine, by tobacco plants. In the second chapter of this work, we present the identification of new putative CYP82E genes in different Nicotiana species, and a phylogenetic analysis including the new genes identified. In addition, the sequences found were characterized using in silico tools, and we observed some identical predictions among most of the sequences. Thus, the identification of all genes encoding NND enzymes, as well as the characterization of these enzymes and the understanding of CYP82E subfamily organization, can be essential factors in the development of new solutions aiming the reduction of carcinogenic substances in tobacco products, especially the TSNA.