理化学研究所、植物のフラボノイドの構造を決定する酵素を発見
植物のフラボノイドの構造を決定する酵素を発見
－植物の抗酸化成分を活用する健康機能増強に期待－
◇ポイント◇
●植物体のフラボノイドパターンを決定する配糖化酵素ＵＧＴ８９Ｃ１を発見
●バイオインフォマティクスによって効率的に目的遺伝子を探索
●植物フラボノイドを人為的に改変することにより健康増進の機能向上に期待
独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、植物の主要な抗酸化物質であるフラボノイド群の最終的な構造（フラボノイド成分パターン）を決定する酵素遺伝子を発見しました。これは、理研植物科学研究センター（篠崎一雄センター長）代謝機能研究チームの榊原圭子研究員、メタボローム解析チームの峠隆之リサーチアソシエイトおよび両研究チームリーダーでもある斉藤和季グループディレクターらによる研究成果です。
フラボノイドは、活性酸素の除去、抗がん作用、高血圧の改善、抗アレルギー作用などの健康増進機能をもつポリフェノールの一種です。花や果実の色素成分であるアントシアニン、ダイズに含まれるイソフラボン、そばのルチン（フラボノール）等が一般的によく知られています。植物中でフラボノイドが安定に蓄積するためには、配糖化酵素によってフラボノイドの骨格に糖を付加することが必要です。糖付加に関与する一部の遺伝子は既に見つかっていますが、比較的ゲノムサイズの小さいシロイヌナズナでさえ、配糖化酵素は１０７種類もあり、正確な機能をもつ遺伝子を探すのは困難でした。
今回の研究では、遺伝子共発現解析※１というバイオインフォマティクス手法を用い、シロイヌナズナのフラボノイド成分パターン決定に最も大きく関わっている配糖化酵素※２（ＵＧＴ）遺伝子を効率的に選定しました。その結果、最も可能性の高いＵＧＴ８９Ｃ１遺伝子を見つけ、この遺伝子が発現しなくなった変異株ではフラボノイドの一つであるフラボノールのうち、７位にラムノース（自然界に存在する糖の一種）を付加したフラボノールが欠損し、野生株には存在しない新規のフラボノール化合物が蓄積していたことがわかりました。すなわち、今回同定した遺伝子から発現する酵素は、植物のフラボノイド成分パターンを決定する重要な酵素であると言えます。
今後、さらに多くの種類のフラボノイド配糖化酵素が見つかれば、フラボノイドの人為的な改変が可能になり、植物フラボノイドによる健康増進機能向上の可能性が期待できます。
本研究成果は、米国の科学雑誌『Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ』２月２２日のオンラインにプレビュー版が掲載されました。
１．背 景
フラボノイドは、活性酸素の除去、抗がん作用、高血圧の改善、抗菌・抗ウイルス作用、抗アレルギー作用などの健康増進機能をもつポリフェノールの一種です。古くから、人類は、フラボノイドを含む植物の葉や果実を民間薬として利用してきました。花や果実の色素成分であるアントシアニンをはじめダイズに含まれるイソフラボン、そばのルチンもフラボノイドの仲間で、現在までに６，０００種類以上のフラボノイドの構造が明らかにされています。
フラボノイドは（一部の例外を除いて）グルコース、ラムノース、キシロースなどさまざまな糖を付加することによって植物体に蓄積することができます。言い換えれば糖を付加できないと植物はフラボノイドを生産する能力があっても蓄積できません。シロイヌナズナではフラボノイドの構造から少なくとも９種類の糖の付加に関わる配糖化酵素遺伝子（ＵＧＴ）の存在が示唆されていますが、このうち既に明らかになっているのは４種類だけです。全ゲノム配列が解読されたことでモデル植物であるシロイヌナズナやイネに存在するＵＧＴの遺伝子配列やその存在数は明らかになりました。しかしながら、比較的ゲノムサイズの小さいシロイヌナズナでさえ、ＵＧＴ遺伝子は１００種類以上有ります。またフラボノイドだけでなく他の二次代謝物質も糖付加のターゲットであることから、どのＵＧＴ遺伝子がどの物質に関係しているか推定することは困難でした。
２．研究手法と成果
研究チームは、公共データベースを利用したバイオインフォマティクス技術である遺伝子共発現解析を使い、フラボノイド合成に関与する遺伝子群と発現パターンがよく似たＵＧＴ遺伝子を検索し、シロイヌナズナの１０７種類のＵＧＴ遺伝子から６種類を候補として絞り込みました（図１）。このうち２種類は既知のフラボノイドＵＧＴ遺伝子でした。機能の不明なＵＧＴのうちフラボノイド生合成系遺伝子と最も相関の高かったのはＵＧＴ８９Ｃ１（ユージーティー８９シー１）遺伝子でした。このＵＧＴ８９Ｃ１遺伝子が機能しなくなったシロイヌナズナ変異体を分析したところ、植物の葉と根のフラボノイド成分のパターンが大きく変化していました（図２）。これを野生型植物と比較すると、変異体ではフラボノール主要骨格の７位（図３）にラムノースの付加したフラボノール化合物が欠損すると同時に、野生型植物では見られない新規のフラボノール化合物を検出しました。さらに、大腸菌で発現させたＵＧＴ８９Ｃ１組換えタンパク質を用いた実験を実施し、このＵＧＴ８９Ｃ１が新規のフラボノールの７位にラムノースを転移する働きを持つことがわかりました。
３．今後の期待
主要骨格の７位にラムノースを有するフラボノイドは、自然界の全フラボノイド種の約１１％を占めており、ＵＧＴ８９Ｃ１遺伝子が機能しない植物体では野生型には見られない新規のフラボノール化合物を蓄積します。これらのことから、今回機能を同定したフラボノールの７位にラムノースを転移する酵素は、植物のフラボノイドパターンを決定する重要な酵素といえます。６，０００種以上存在するフラボノイドが持っている一つ一つの生理機能は、はっきりとは証明されていませんが、様々なＵＧＴ遺伝子が同定されれば、これらの遺伝子発現を改変することによって、フラボノイドの人為的な改変が可能になり、植物フラボノイドによる健康増進機能の向上が期待できます。
＊補足説明などは、添付資料をご参照ください。