CYP76AK の機能的多様性がアビエタンの化学多様性を形成する

Mar 28, 2024

Nature Communications volume 14、記事番号: 4696 (2023) この記事を引用

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サルビア L. 属 (シソ科) は無数の異なる薬草で構成されており、テルペノイドはその主要な活性化学グループの 1 つです。 タンシノンやカルノシン酸などのアビエタン型ジテルペノイド (ATD) はサルビアに特有であり、系統間で分類学的化学的多様性を示します。 ATD の化学的多様性がどのように進化したかを解明するために、我々は、酵素機能、祖先配列および化学的形質の再構成、および比較ゲノミクス実験と組み合わせた、71 種のサルビアの大規模な代謝および系統解析を実施しました。 この統合的アプローチにより、サルビアの系統全体にわたる ATD の多様性は、シトクロム P450 サブファミリー CYP76AK の機能的分岐によって引き起こされる C-20 のテルペノイド骨格の酸化の違いによって引き起こされることが示されました。 これらの発見は、酵素活性とそれに関連する触媒経路の喪失によって形成された植物の化学的多様性の独特なパターンを示しています。

植物由来の天然物は薬理学研究や健康関連製品の開発にとって貴重な資源であり、その構造の多様性はさまざまな生物活性に関連しています1。 Taxus chinensis (Pilg.) Rehder から得られるジテルペノイド アルカロイドであるタキソールと Artemisia annua L. 由来のセスキテルペノイドであるアルテミシニンは、それぞれ優れた抗がん効果と抗マラリア効果により世界中で大きな注目を集めています 2,3。 天然物に対する需要が高いため、代謝工学によって特定の化合物を取得するアプローチが大きなトレンドとなっており、生合成経路の解明とこれらの経路に関与する重要な遺伝子の同定が必要となっています。

植物から得られる天然産物のほとんどは特殊な代謝物です。 しかし、生合成経路が複雑で複数のステップが含まれる場合、生合成経路の解明には限界があり、関連遺伝子の同定が困難になります4。 一般に、植物に特化した代謝産物の出現は、生物的および非生物的ストレスの集中攻撃から植物を守る進化した防御機構であり、化学的多様性はその骨格と化学修飾の多様性に反映されています5。 一般に、類似の骨格は、同種の植物内の類似の生合成経路に由来します。 しかし、同じ骨格にさまざまな化学修飾（グリコシル化、メチル化、水酸化、アシル化、プレニル化など）を施した天然物は種によって異なります。 このような構造変化は、植物が成長と発達のための外部環境の変化にどのように反応するかにおいて重要な役割を果たします6。

最近のオミクス技術の急速な進歩により、代謝産物の進化的起源、分布、組成を系統規模で追跡することが可能になり7、それらの古代または新規の機能、さらには生合成経路の出現と放射に光を当てることが可能になりました。たとえば、ミント植物ゲノムプロジェクトは、シソ科の揮発性テルペノイドの分布パターンを調査し9、さまざまな系統にわたるイリドイド経路の放射を調査することで、この点で多大な貢献をしています10。 彼らはまた、ネペタ系統におけるネペタラクトン生合成の喪失とその後の再進化の背後にあるメカニズムについての洞察をもたらしました11。 もう 1 つの非常に代表的な例は、ケシ科 (ケシ科) 属のモルフィナンの起源です。 ケナガゲノム間での STORR 遺伝子の融合イベント、および相関する全ゲノム重複 (WGD)、染色体再構成、およびサブゲノム進化 12、13、14 を追跡することにより、この特殊な代謝産物の革新性が実証されました。 したがって、種を超えた天然産物の多様性形成の遺伝的メカニズムを確立することは、経路を理解する上で非常に重要であり、代謝工学や分子育種のための合成要素を提供します。