1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физиология растений
  4. T. 70, № 3, 2023

Физиология растений, 2023, T. 70, № 3, стр. 227-240

Вторичный метаболизм в культуре клеток in vitro Taxus spp.

С. В. Томилова a, *, Е. Б. Глоба a, Е. В. Демидова a, А. М. Носов a, b, **

a Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук
Москва, Россия

b Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова”
Москва, Россия

* E-mail: lanatomilova@yandex.ru
** E-mail: al_nosov@mail.ru

Поступила в редакцию 20.12.2022
После доработки 23.12.2022
Принята к публикации 23.12.2022

Аннотация

Род Taxus (тис) является источником ряда фармацевтически ценных веществ, в частности паклитаксела (таксола) – сложного дитерпеноидного соединения с мощным противоопухолевым действием (коммерческое название – Taxol®). Паклитаксел является одним из самых успешных препаратов в химиотерапии, благодаря своему специфическому действию на подавление пролиферации опухолевых клеток в опухолях путем стабилизации их микротрубочек. Мировой спрос на таксол составляет 800–1000 кг в г., и этот показатель ежегодно увеличивается на 20%. Растущая потребность в паклитакселе и его производных и, как следствие, дефицит растительных ресурсов для их получения, сделал соединения таксанового ряда одним из наиболее важных объектов для разработки биотехнологических способов их производства. Из всех возможных методов получения таксола (из дикорастущих или выращенных на плантациях деревьев, полный химический синтез или полусинтез, использование культур клеток тиса, технологии метаболической инженерии, использование эндофитных грибов тиса) наиболее многообещающим представляется промышленное выращивание культур клеток Taxus spp. В представленном обзоре проведен анализ работ, посвященных изучению вторичного метаболизма в дедифференцированных клетках in vitro разных видов тиса и возможностям промышленного применения культур клеток для получения таксоидов. Выявлен ряд закономерностей, характерных для культур клеток Taxus spp.: для цитофизиологических аспектов – сложность получения культур клеток, их низкие ростовые характеристики, специфические среды и условия культивирования; для фитохимических аспектов – отличия, по сравнению с интактными растениями, в качественном составе и количественном содержании вторичных метаболитов, которые обусловлены спецификой культуры клеток как биологической системы; образование преимущественно С14-гидроксилированных, но не С13-гидоксилированных таксоидов; возможность повышения уровня содержания таксоидов – в том числе коммерчески ценных (паклитаксела, бакатина III) с применением различных подходов (элиситация, стрессовые воздействия, двухфазное культивирование и ряд других); для биотехнологических аспектов – возможность промышленного выращивания культур клеток тиса; наличие нескольких успешных производств (Германия, Республика Корея).

Ключевые слова: Taxus spp., вторичный метаболизм, культура клеток высших растений, паклитаксел, таксоиды, тис

Список литературы

  1. Murthy H.N., Dandin V.S., Joseph K.S., Park S.Y., Paek K.Y. Plant cell and organ culture as an alternative for the production of anticancer compounds // Anticancer plants: natural products and biotechnological implements / Eds. M. S. Akhtar, M. K. Swamy. Singapore: Springer Nature, 2018. P. 429. https://doi.org/10.1007/978-981-10-8064-7_18

  2. Exposito O., Bonfill M., Moyano E., Onrubia M., Mirjalili M.H., Cusido R.M., Palazon J. Biotechnological production of taxol and related taxoids: current state and prospects // Anticancer Agents Med. Chem. 2009. V. 9. P. 109. https://doi.org/10.2174/187152009787047761

  3. Nimasow G., Nimasow O.D., Rawat J.S., Norbu L. Conservation efforts of an important medicinal plant (Taxus baccata Linn.) in West Kameng district of Arunachal Pradesh (India) // Earth Sci. 2015. V. 4. P. 1. https://doi.org/10.11648/j.earth.s.2015040301.11

  4. Malik S., Cusido R.M., Mirjalili M.H., Moyano E., Palazon J., Bonfill M. Production of the anticancer drug taxol in Taxus baccata suspension cultures: A review // Process Biochem. 2011. V. 46. P. 23. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2010.09.004

  5. Zhu L., Chen L. Progress in research on paclitaxel and tumor immunotherapy // Cell. Mol. Biol. Lett. 2019. V. 24. P. 40. https://doi.org/10.1186/s11658-019-0164-y

  6. Ismaiel A.A., Ahmed A.S., Hassan I.A., El-Sayed E.S.R., Karam El-Din A.Z.A. Production of paclitaxel with anticancer activity by two local fungal endophytes, Aspergillus fumigatus and Alternaria tenuissima // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2017. V. 101. P. 5831. https://doi.org/10.1007/s00253-017-8354-x

  7. Maheshwari P., Garg S., Kumar A. Taxoids: biosynthesis and in vitro production // Biotech. Mol. Biol. Rev. 2008. V. 3. P. 071.

  8. McElroy C., Jennewein S. Taxol® biosynthesis and production: from forests to fermenters // Biotechnology of Natural Products / Eds. W. Schwab, B.M. Lange, M. Wust. Cham: Springer International Publishing. 2018. P. 145. https://doi.org/10.1007/978-3-319-67903-7_7

  9. Wang T., Li L., Zhuang W., Zhang F., Shu X., Wang N., Wang Z. Recent research progress in taxol biosynthetic pathway and acylation reactions mediated by Taxus a-cyltransferases // Molecules. 2021. V. 26. P. 2855. https://doi.org/10.3390/molecules26102855

  10. Wang Y.F., Shi Q.W., Dong M., Kiyota H., Gu Y.C., Cong B. Natural taxanes: developments since 1828 // Chem. Rev. 2011. V. 111. P. 7652. https://doi.org/10.1021/cr100147u

  11. Wilson S.A., Roberts S.C. Recent advances towards development and commercialization of plant cell culture processes for the synthesis of biomolecules // Plant Biotechnol. J. 2012. V. 10. P. 249. https://doi.org/10.1111/j.1467-7652.2011.00664.x

  12. Spjut R.W. Taxonomy and nomenclature of Taxus (Taxaceae) // J. Bot. Res. Inst. Tex. 2007. V. 1. P. 203.

  13. Hao D.C., Xiao P.G., Ge G.B., Liu M. Biological, chemical, and omics research of Taxus medicinal resources // Drug. Development Res. 2012. V. 73. P. 477. https://doi.org/10.1002/ddr.21040

  14. Spjut R.W. A phytogeographical analysis of Taxus (Taxaceae) based on leaf anatomical characters // J. Bot. Res. Inst. Texas. 2007. V. 1. P. 291.

  15. Li J., Davis C.C., Tredici P.D., Donoghue M.J. Phylogeny and biogeography of Taxus (Taxaceae) inferred from sequences of the internal transcribed spacer region of nuclear ribosomal DNA // Harv. Pap. Bot. 2001. V. 6. P. 267.

  16. Lange B.M., Conner C.F. Taxanes and taxoids of the genus Taxus – A comprehensive inventory of chemical diversity // Phytochem. 2021. V. 190. P. 112829. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2021.112829

  17. Topcu G., Demirkiran O. Lignans from Taxus species // Top Heterocycl Chem. 2007. V. 11. P. 103. https://doi.org/10.1007/7081_2007_082

  18. Dang P.H., Nguyen H.X., Nguyen H.H.T., Vo T.D., Le T.H., Phan T.H.N., Nguyen M.T.T., Nguyen N.T. Lignans from the roots of Taxus wallichiana and their α‒glucosidase inhibitory activities // J. Nat. Prod. 2017. V. 80. P. 1876. https://doi.org/10.1021/acs.jnatprod.7b00171

  19. Krauze-Baranowska M. Flavonoids from the genus Taxus // Z Naturforsch C J Biosci. 2004. V. 59. P. 43. https://doi.org/10.1515/znc-2004-1-210

  20. Bekhouche M., Benyammi R., Slaoui M.K., Krimat S., Paris C., Khelifi L., Morsli A. Flavonoid profile and antioxidant properties of Algerian common yew (Taxus baccata L.) // Clinical Phytosci. 2022. V. 8. P. 17. https://doi.org/10.1186/s40816-022-00348-x

  21. Bekhouche M., Morsli A., Slaoui M.K., Benyammi R., Krimat S., Paris C., Khelifi L. Antioxidant properties of the needles of Taxus baccata L. growing in Algeria and characterization of their antioxidant constituents by LC–DAD–ESI–MSn // J. Global Trends Pharm. Sci. 2021. V. 12. P. 9026.

  22. Wilson C.R., Hooser S.B. Toxicity of yew (Taxus spp.) alkaloids // Veterinary Toxicology. Basic and Clinical Principles / Ed. by R.C. Gupta. USA: Academic Press. 2018. P. 947. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811410-0.00066-0

  23. Sinha D. A review on taxanes: an important group of anticancer compound obtained from Taxus sp. // IJPSR. 2020. V. 11. P. 1969. https://doi.org/10.13040/IJPSR.0975-8232.11(5).1969-85

  24. Nicolaou K.C., Valiulin R.A. Synthesis and biological evaluation of new paclitaxel analogs and discovery of potent antitumor agents // Org. Biomol. Chem. 2013. V. 11. P. 4154. https://doi.org/10.1039/c3ob40654g

  25. Tabaszewska M., Antoniewska A., Rutkowska J., Skoczylas L., Slupski J., Skoczen-Slupska R. Bioactive components, volatile profile and in vitro antioxidative properties of Taxus baccata L. red arils // Molecules. 2021. V. 26. P. 4474. https://doi.org/10.3390/molecules26154474

  26. Bekhouche M., Benyammi R., Khelifi Slaoui M., Khelifi L., Morsli A. Free radical scavenging activity and detailed flavonoid profiling of Algerian yew (Taxus baccata L.) by LC–ESI–MS/MS // IJPSR. 2021. V. 12. P. 2613. https://doi.org/10.13040/IJPSR.0975-8232.12(5).2613-19

  27. Филиппова С.Н., Логвина А.О., Спиридович Е.В. Органо- и тканеспецифические особенности проявления антирадикального потенциала и содержания фенольных соединений в растениях рода Taxus spp. // Экспериментальная биология и биотехнология. 2022. Т. 1. С. 48. https://doi.org/10.33581/2957-5060-2022-1-48-58

  28. Pinto A., Lemos T., Silveira I., Aragao I. Taxus baccata intoxication: the sun after the electrical storm // Rev. Bras. Ter. Intensiva. 2021. V. 33. P. 172. https://doi.org/10.5935/0103-507X.20210019

  29. Valis M., Koci J., Tucek D., Lutonsky T., Kopova J., Barton P., Vysata O., Krajickova D., Korabecny J., Masopust J., Klzo L. Common yew intoxication: a case report // J. Med. Case Rep. 2014. V. 8. P. 4. https://doi.org/10.1186/1752-1947-8-4

  30. Бутенко Р.Г. Биология клеток высших растений in vitro и биотехнологии на их основе. Москва: ФБК-ПРЕСС, 1999. 160 с.

  31. Некора С.В., Комов В.П. Способность к каллусогенезу у эксплантов хвои пяти видов рода Taxus L. // Растительные ресурсы. 2001. Т. 37. С. 100.

  32. Дубравина Г.А., Зайцева С.М., Загоскина Н.В. Изменения в образовании и локализации фенольных соединений при дедифференциации тканей тисса ягодного и тисса канадского в условиях in vitro // Физиология растений. 2005. Т. 52. С. 755.

  33. Загоскина Н.В., Зайцева С.М., Александрова М.С. Изменения в образовании фенольных соединений при введении клеток тисса ягодного (Taxus baccata L.) и тисса канадского (Taxus canadensis Marsh.) в культуру in vitro // Биотехнология. 2007. В. 1. С.29.

  34. Fett-Neto A.G., Melanson S.J., Nicholson S.A., Pennington J.J., DiCosmo F. Improved taxol yield by aromatic carboxylic acid and amino acid feeding to cell cultures of Taxus cuspidata // Biotech. Bioeng. 1994. V.44. P. 967. https://doi.org/10.1002/bit.260440813

  35. Nosov A.M., Popova E.V., Kochkin D.V. Isoprenoid production via plant cell cultures: biosynthesis, accumulation and scaling-up to bioreactors // Production of Biomass and Bioactive Compounds Using Bioreactor Technology / Eds. K.Y. Paek, H.N. Murthy, J.J. Zhong. Dordrecht: Springer. 2014. P. 563. https://doi.org/10.1007/978-94-017-9223-3_23

  36. Cusido R.M., Onrubia M., Sabater-Jara A.B., Moyano E., Bonfill M., Goossens A., Angeles Pedreno M., Palazon J. A rational approach to improving the biotechnological production of taxanes in plant cell cultures of Taxus spp. // Biotechnol. Adv. 2014. V. 32. P. 1157. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2014.03.002

  37. Глоба Е.Б., Демидова Е.В., Гайсинский В.В., Кочкин Д.В. Получение и характеристика каллусной и суспензионной культур клеток тиса Валлиха (Taxus wallichiana Zucc.) // Вестник СВФУ. 2018. № 2. С. 18. https://doi.org/10.25587/SVFU.2018.64.12127

  38. Глоба Е.Б., Черняк Н.Д., Носов А.М. Получение культуры клеток из уникального растения тиса Taxus baccata // Материалы Международной конференции с элементами научной школы для молодежи “Перспективы фитобиотехнологии для улучшения качества жизни на Севере”. Якутск, 2010. С. 97.

  39. Ketchum R.E.B., Gibson D.M. Paclitaxel production in suspension cell cultures of Taxus // Plant Cell Tiss Organ Cult. 1996. V. 46. P. 9. https://doi.org/10.1007/BF00039691

  40. Kochkin D.V., Globa E.B., Demidova E.V., Gaisinsky V.V., Galishev B.A., Kolotyrkina N.G., Kuznetsov Vl.V., Nosov A.M. Occurrence of 14-hydroxylated taxoids in the plant in vitro cell cultures of different yew species (Taxus spp.) // Dokl. Biochem. Biophys. 2017. V. 476. P. 337. https://doi.org/10.1134/S1607672917050131

  41. Кочкин Д.В., Глоба Е.Б., Демидова Е.В., Гайсинский В.В., Кузнецов Вл.В., Носов А.М. Обнаружение таксуюннанина С в суспензионной культуре клеток тиса канадского (Taxus canadensis) // Доклады Академии наук. 2019. Т. 485. С. 374. https://doi.org/10.31857/S0869-56524853374-376

  42. Bonfill M., Exposito O., Moyano E., Cusido R.M., Palazon J., Pinol M.T. Manipulation by culture mixing and elicitation of paclitaxel and baccatin III production in Taxus baccata suspension cultures // In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 2006. V. 42. P. 422. https://doi.org/10.1079/IVP2006761

  43. Senger R.S., Phisalaphong M., Karim M.N., Linden J.C. Development of a culture sub-population induction model: signaling pathways synergy and taxanes production by Taxus canadensis // Biotechnol. Prog. 2006. V. 22. P. 1671. https://doi.org/10.1021/bp0602552

  44. Mirjalili N., Linden J.C. Methyl jasmonate induced production of taxol in suspension cultures of Taxus cuspidata: ethylene interaction and induction models // Biotechnol. Prog. 1996. V. 12. P. 110. https://doi.org/10.1021/bp9500831

  45. Bai J., Kitabatake M., Toyoizumi K., Fu L., Zhang S., Dai J., Sakai J., Hirose K., Yamori T., Tomida A., Tsuruo T., Ando M. Production of biologically active taxoids by a callus culture of Taxus cuspidata // J. Nat. Prod. 2004. V. 67. P. 58. https://doi.org/10.1021/np0301083

  46. Zhang C.H., Mei X.G., Liu L., Yu L.J. Enhanced paclitaxel production induced by the combination of elicitors in cell suspension cultures of Taxus chinensis // Biotechnol. Letters. 2000. V. 22. P. 1561. https://doi.org/10.1023/A:1005684901329

  47. Khosroushahi A.Y., Valizadeh M., Ghasempour A., Khosrowshahli M., Naghdibadi H., Dadpour M.R., Omidi Y. Improved taxol production by combination of inducing factors in suspension cell culture of Taxus baccata // Cell Biol. Intern. 2006. V. 30. P. 262. https://doi.org/10.1016/j.cellbi.2005.11.004

  48. Bonfill M., Bentebibel S., Moyano E., Palazon J., Cusido R.M., Eibl R., Pinol M.T. Paclitaxel and baccatin III production induced by methyl jasmonate in free and immobilized cells of Taxus baccata // Biol. Plant. 2007. V. 51. P. 647. https://doi.org/10.1007/s10535-007-0137-2

  49. Onrubia M., Moyano E., Bonfill M., Cusido R.M., Goossens A., Palazon J. Coronatine, a more powerful elicitor for inducing taxane biosynthesis in Taxus media cell cultures than methyl jasmonate // J. Plant. Physiol. 2013. V. 170. P. 211. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2012.09.004

  50. Furmanowa M., Oledzka H., Syklowska-Baranek K., Jozefowicz J., Gieracka S. Increased taxane accumulation in callus cultures of Taxus cuspidata and Taxus × media by some elicitors and precursors // Biotechnol. Letters. 2000. V. 22. P. 1449. https://doi.org/10.1023/A:1005611114628

  51. Amirkavei Najafabadi B., Qavami N., Ebrahimi M.A., Ebrahimi P., Zarinpanjeh N. Enhancement of taxol production by applying amino acid complex along with chitosan in suspension culture of Taxus baccata L. // J. Med. Plants. 2020. V. 19. P. 99. https://doi.org/10.29252/jmp.19.76.99

  52. Vidal-Limon H.R., Almagro L., Moyano E., Palazon J., Pedreno M.A., Cusido R.M. Perfluorodecalins and hexenol as inducers of secondary metabolism in Taxus media and Vitis vinifera cell cultures // Front. Plant Sci. 2018. V. 9. P. 335. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00335

  53. Barrales-Cureno H.J., Ramos Valdivia A.C., Soto Hernandez M. Increased production of taxoids in suspension cultures of Taxus globosa after elicitation // Future Pharm. 2022. V. 2. P. 45. https://doi.org/10.3390/futurepharmacol2010004

  54. Veeresham C., Mamatha R., Prasad Babu Ch., Srisilam K., Kokate C.K. Production of taxol and its analogues from cell cultures of Taxus wallichiana // Pharm. Biol. 2003. V. 41. P. 426. https://doi.org/10.1076/phbi.41.6.426.17822

  55. Mirjalili N., Linden J.C. Gas phase composition effects on suspension of Taxus cuspidata // Biotechnol Bioeng. 1995. V. 48. P. 123. https://doi.org/10.1002/bit.260480206

  56. Linden J., Haigh J.R., Mirjalili N., Phisaphalong M. Gas concentration effects on secondary metabolite production by plant cell cultures // Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 2001. V. 72. P. 27. https://doi.org/10.1007/3-540-45302-4_2

  57. Kim S.I., Choi H.K., Kim J.H., Lee H.S., Hong S.S. Effect of osmotic pressure on paclitaxel production in suspension cell cultures of Taxus chinensis // Enzym. Microb. Technol. 2001. V. 28. P. 202. https://doi.org/10.1016/s0141-0229(00)00292-1

  58. Choi H., Kim S., Son J., Hong S., Lee H., Lee H. Enhancement of paclitaxel production by temperature shift in suspension culture of Taxus chinensis // Enzyme Microb. Technol. 2000. V. 27. P. 593. https://doi.org/10.1016/s0141-0229(00)00255-6

  59. Zhong J.J., Yue C.J. Plant cells: secondary metabolite heterogeneity and its manipulation // Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 2005. V. 100. P. 53. https://doi.org/10.1007/b136412

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Физиология растений

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал