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イチゴおよびモミジバダイオウにおける配糖化酵素の機能解析

山田 亜紀 Yamada Aki 名古屋市立大学

2020.03.31

概要

人類と植物の関係は多様であり、古来、食物連鎖上の消費者と生産者の関係にとどまらず建材や繊維、エネルギー生産などの原料などとして様々な形で利用してきた。19 世紀初頭のケシ (Papaver somniferum) からのmorphine の単離によって植物が生み出す化学物質が生理活性を示すという事実が発見されると、以降の医学、薬学などが急速に発展するようになった。

植物が生み出す化合物のうちで重要なものの一つが、morphine のような二次代謝産物と呼ばれる低分子有機化合物である。二次代謝産物は、植物種によって異なる進化を遂げた二次代謝経路から生合成され、化学構造だけでなく、生理活性の面からも非常に多彩な化合物群となっている。植物二次代謝産物は、植物自身の生存にとって必要であるばかりでなく、医薬品、食品添加物、香料、工業原料など、私たちの生活の様々な場面で活用されている。それらはその構造と生合成経路によって分類されているが、多くの化合物に共通した構造として、水酸基などに付加された糖残基の存在が挙げられる。この糖残基は生合成経路の最終段階で付加されることが多く、植物二次代謝産物に糖残基が付加されて配糖体となることが、植物体内での二次代謝産物の蓄積に一定の役割を果たしている 1。

植物が含有する配糖体の生成を担っているのが、植物配糖化酵素であり、特に植物における二次代謝に関わる分子種は、植物二次代謝糖転移酵素 (PSPG, Plant Secondary Product Glycosyltransferase) と総称され、ヒト (Homo sapiens) の薬物代謝酵素の一種であるグルクロン酸抱合酵素と同じく Family 1 に属する糖転移酵素群として知られている 2。PSPG は、植物内で生合成される様々な低分子化合物をアクセプター基質とし、UDP-glucose などの nucleotide-activated sugar から糖を植物二次代謝産物へ転移する反応を触媒する 2,3。PSPG の多くは、二次代謝産物の生合成に関与するものとして単離、機能解析が行われてきた。それ以外の機能として、PSPG は植物ホルモン濃度の制御など植物の生存に必須の化合物の細胞内のホメオスタシスの維持に寄与している 4。さらには、外来性の低分子有機化合物が植物体内に取り込まれた際に、毒性を回避するシステムの一つとして、すなわち、PSPG が外来低分子有機化合物を配糖化することで水溶性を増大させ、液胞へと輸送・蓄積するメカニズムの一部として機能している 5–8。このように、PSPG は種々の内在性、外来性基質を配糖化する機能があり、植物はそれぞれに対応した基質特異性を持つ数多くの PSPG をゲノム中に有している 1–7。全ゲノム配列の解読が植物で最初に行われた、モデル植物シロイヌナズナにおいては、約 25,000 の遺伝子の中に 100 種類以上の PSPG が存在していることが報告された 1。シロイヌナズナ由来 PSPG は、アミノ酸配列の相同性から分子系統樹上で Group AからGroup N までの 14 のグループに分けられているが、近年、他の植物種でもゲノム配列が明らかになり、シロイヌナズナには含まれない Group O と Group P が追加され、16 のグループに拡大された 9。それぞれのグループで配列の相同性と基質特異性に相関があるとされ、例えば、グループ A に属する配糖化酵素は配糖体の糖鎖伸長、グループ L に属する配糖化酵素はカルボキシル基を配糖化することが知られている 2 (Fig. 1)。

一方、天然で含量の少ない配糖体を生産する、非天然の配糖体を生産するといった有用物質生産の観点から、PSPG を利用した様々な試みが行われている。その中には、有用化合物の水溶性の増大や安定性の向上、毒性の軽減あるいは生理活性の高機能化を目的とした配糖体の生産などが挙げられる 8。

植物における二次代謝経路の解明の点からも、物質生産の点からも注目されている PSPGではあるものの、天然に存在する多数の配糖体と植物ゲノム中に存在する多数の PSPG との関係性は十分に明らかになっているとは言えず、種々の配糖体が生成される際の PSPG が同定されていないケースが多い。そこで本研究では、植物に含まれる配糖体の生合成過程において未知の配糖化酵素を同定することを目的とした。具体的には、イチゴの重要な香気成分である 4-hydroxy-2,5-dimethyl-3(2H)-furanone (HDMF) の配糖体と、モミジバダイオウの重要な成分であるアントラキノンの配糖体の生合成に関わる配糖化酵素を単離した。さらに、これらの配糖化酵素の基質特異性や遺伝子発現について解析を行い、HDMF 配糖体およびアントラキノン配糖体の生成への寄与について明らかにした。

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参考文献

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