[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

植物生合成の謎を解明!?Heteroyohimbine の立体制御

[スポンサーリンク]

植物由来の天然物は、微生物等に比べ生合成経路の解明が困難です。いくつか理由はありますが、ゲノムサイズが大きすぎるためにゲノム配列の解読が困難な場合があることや、生合成遺伝子がクラスターを形成していないこと、成長が遅いこと、実験プロトコルが植物種ごとに異なる場合があることなどが挙げられます。その研究の難しさはルービックキューブを解くことに例えることができます。

植物科学研究で有名なイギリスのジョイネスセンターのサラ・オコナー教授らのグループらは、長年にわたりニチニチソウ(Catharanthus roseus)の研究を行ってきました。ニチニチソウからは複数のアルカロイドが単離されており、天然物化学者のみならず、合成化学者からも注目を集めていました。今回、サラ・オコナー教授らのグループによる「ヘテロヨヒンビンの生合成経路での構造多様性に関わる酵素の機能解析」に関する研究が報告されましたので、本記事ではその詳細について解説したいと思います。

Structural investigation of heteroyohimbine alkaloid synthesis reveals active site elements that control stereoselectivity
Nat. Comm. 2016, 7, Article number: 12116 DOI: 10.1038/ncomms12116


コンテンツ

非常に長い記事になってしまったため、今回は目次を付けました。(クリックするとその項目まで移動します。)

 

ヘテロヨヒンビン

heteroyohimbine_activity
ヘテロヨヒンビンは植物由来のモノテルペンインドールアルカロイドであり、主にキョウチクトウ科(Apocynaceae)アカネ科 (Rubiacea) から単離報告例があります。ヘテロヨヒンビンは複数のキラル中心を有するため複数の光学異性体が存在し、それぞれが異なる生理活性を示すことが知られています。
例えば、ajimalicineは、α1アドレナリン受容体のアンタゴニストとして働くため、高血圧治療薬として用いられています。mayumbine はベンゾジアゼピン受容体リガンドです。より酸化された serpetine はトポイソメラーゼ阻害作用を示し、alstonine は、5-HT2A/C 受容体と相互作用することが知られています。さらに、ヘテロヨヒンビンは多様な生理活性を有するオキシインドールアルカロイド類 (oxindole alkaloid) の生合成中間体でもあるため、ヘテロヨヒンビンの生合成研究は医薬化学の面からも大変重要と考えられており、今後の研究が待たれているのが現状です。
ヘテロヨヒンビンには 4 箇所のキラル中心があるため理論上 16 種類の光学異性体が考えられますが、これまでのところ 8 種類の光学異性体しか報告されていません。論文著者らは、この立体化学の制御が植物体内でどのように制御されているかに興味を抱き研究を行いました。
コンテンツに戻る

Tetrahydroalstonine synthase(THAS)

ニチニチソウ(Catharanthus roseus)は、ヘテロヨヒンビンの複数ある光学異性体のうちの 3 種を生産します(ajmalicine, tetrahydroalstonine, mayumbine)。

heteroyohinbine_scheme

図:ニチニチソウでのヘテロヨヒンビン生合成経路(論文より)

植物が生産するいくつかの種類のモノテルペンインドールアルカロイドは、 strictosidine を共通中間体として生合成されています。そのため、strictosidine を基質として受け入れる酵素が数種類存在し、どの酵素が働くかによって分子多様性が生み出されている考えられます。著者らは先行研究にて strictosidine のアグリコンを基質として tetrahydroalstonine を合成する酵素である THAS (tetrahydroalstonine synthase) の単離・機能解析を報告していますが、その立体制御に関するメカニズムについては謎のままでした。
ヘテロヨヒンビンには 8 種類の異性体が存在しているため、それぞれの生成物に対応した THAS のホモログ酵素が存在すると予想することができます。すなわち、他の THAS の立体制御のメカニズムを比較・解明することができればヘテロヨヒンビンの立体制御の仕組みがわかると著者らは考えました。

コンテンツに戻る

Heteroyohimbine Synthase(HYS)

著者らは、ニチニチソウ(Catharanthus roseus)のトランスクリプトーム解析を行い、THAS のホモログを探索し、14 個の候補遺伝子を見つけました。それらを大腸菌で異種発現し、代謝物を LC-MS で解析したところ、4 つの酵素が活性を示しました。これら 4 つの酵素は、それぞれTHAS2, THAS3, THAS4, HAS と名付けられました。THAS2, THAS3, THAS4 が Tetrahydroalstonine を主生成物とし、mayumbine を 副生成物 として与えるのに対し、HYS は Tetrahydroalstonine、Ajmalicine、Mayumbine の 3 種の化合物の mixture を生成物として与えました。すなわち、立体制御機構が比較的ゆるい HYS と他の酵素の違いを注意深く調べることにより、ヘテロヨヒンビン生合成における立体制御機構がわかると予想されました。そこで、酵素の詳しい反応メカニズムを調べるために、著者らは X 線結晶構造解析に着手しました。

コンテンツに戻る

X 線結晶構造解析

crystal_structure_heteroyohimbine

図:HYS の X 線結晶構造(論文より)

a は、NADP+ が結合したホロ体の THAS1(分解能 1.12 Å)。
b は、THAS1 に基質である cathenamine を重ね合わせたもの(分解能 1.05 Å)。
c は、何も入っていないアポ体の HYS, THAS1, THAS2 の結晶を重ね合わせたもの(分解能 2.25 Å, 2.25 Å, 2.05 Å)。
d は、NADP+ が結合したホロ体の THAS1 と THAS2 を重ね合わせたもの(分解能 1.05 Å, 2.10 Å)。

X 線結晶構造に基質である cathenamine を重ね合わせる操作は、Auto Dock を使って行われました。NADPH 由来のヒドリドが C21 位に付加するのが今回の立体制御の一つのポイントです。C21 位は不斉点ではありませんが、酵素活性部位において NADPH が基質の下部または上部のどちらかにあるかによって、反応に関与するアミノ酸残基がまるっきり変わってしまい、酵素間の比較ができなくなってしまうためです。著者らは NADPH と重水素化した NADPD を用いた場合の生成物の NMR スペクトルを比較することにより C21 位の α と β のどちらの水素が重水素化されているかを決めました。その結果、ajimalicineMayumbineTetrahydroalstonine のいずれの場合も α 位が重水素化されていました。すなわち、NADPH は、基質の下部にあることが明らかとなり、このことから C20 位のプロトン化が立体化学の制御に重要であることが示唆されました。
コンテンツに戻る

反応機構

HYS と HTAS1 の X 線結晶構造の比較により、酵素活性部位上部の loop の大きさに差があることがわかりました。そこで、著者らは swap mutant を作りました。swap mutant とは、酵素の一部分をある酵素間で入れ替える変異体です。今回の場合では、HYS の loop の配列と THAS1 のloop の配列を入れ替えます。機能解析の結果、HYS にTAHS1 の loop2 を導入したものの代謝物が THAS1 の野生体と非常によく似ていることがわかりました。これは、loop2 に含まれる極性アミノ酸残基が C20 位のプロトン化に関与していることを示しています。次に、point mutation により プロトン受け渡しに関与していそうなアミノ酸残基を一つずつ潰していきました。すると、 His127 が ajimalicine には必須であることがわかり、以下のような反応機構が考えられました。

heteroyohimbine_reaction_mechanism

図:HYSs の反応機構(論文より)

コンテンツに戻る

細胞内局在

hys_sgd_interaction_heteroyohimbine

図:THAS の細胞内局在(論文より)

生合成反応では、タンパク質間相互作用により基質(生成物)を素早く次の酵素へと受け渡すことにより副反応を避けたり、細胞内局在を調節することにより副反応を避ける仕組みがあります。ヘテロヨヒンビンの先行研究では strictosidine の脱配糖化酵素 SGD は、核内に存在していることが示されていました。今回は、THAS2 と HYS の細胞内局在が調べられました。YFP とのフュージョンプロテインにより、THAS2 と HYS は核内にて SGD と相互作用していることが確かめられました。

コンテンツに戻る

HYS のサイレンシング

上述したように、著者らはヘテロヨヒンビンに関わっているであろう酵素の in vitro での解析を進めてきました。しかし、これらの酵素が実際に植物内で発現しているかどうかは、遺伝子破壊またはサイレンシングの実験を行わないとわかりません。今回使用している植物 C. roseus では VIGS (virus-induced gene silincing) しか確立した実験方法がありませんので、著者らは VIGS を用いてそれぞれの候補遺伝子のサイレンシングを行いました(植物では主にシロイヌナズナをモデルとして様々な手法が開発されているが、それが他の植物種では使えない場合も多い)。サイレンシングを行うと、 HYS または THAS1 をサイレンシングした時に顕著に ajimalicine の生産量が低下することがわかりました。このことから HYS と THAS1 が ajimalicine の生合成に関与していることが示されました。しかし、一つ疑問が残るのは、トランスクリプトーム解析では HYS の発現量は高くないということです。。。

コンテンツに戻る

まとめ

本研究にて著者らは、トランスクリプトーム解析、X 線結晶構造解析などを軸として酵素の機能解析を進め、ヘテロヨヒンビンの構造多様性の仕組みの一部を明らかにしました。この技術を応用していくことにより、他の異性体の生合成に関わる酵素も見つかるかもしれません。また、蓄積した知見をもとにした変異体酵素の構築により、未だ単離例のない異性体の生成も達成できるかもしれません。
今後の展開が楽しみです。

コンテンツに戻る

参考文献

トップに戻る

Avatar photo

ゼロ

投稿者の記事一覧

女の子。研究所勤務。趣味は読書とハイキング ♪
ハンドルネームは村上龍の「愛と幻想のファシズム」の登場人物にちなんでま〜す。5 分後の世界、ヒュウガ・ウイルスも好き!

関連記事

  1. アメリカ企業研究員の生活③:新入社員の採用プロセス
  2. 第14回ケムステVシンポ「スーパー超分子ワールド」を開催します!…
  3. 第54回複素環化学討論会 @ 東京大学
  4. 染色体分裂で活躍するタンパク質“コンデンシン”の正体は分子モータ…
  5. 比色法の化学(前編)
  6. 【食品・飲料業界の方向け】 マイクロ波がもたらすプロセス効率化と…
  7. 【チャンスは春だけ】フランスの博士課程に応募しよう!【給与付き】…
  8. 有機合成化学協会誌2023年5月号:特集号「日本の誇るハロゲン資…

注目情報

ピックアップ記事

  1. クリスマス化学史 元素記号Hの発見
  2. 電子デバイス製造技術 ーChemical Times特集より
  3. クライン・プレログ表記法 Klyne-Prelog Nomenclature System
  4. IR情報から読み解く大手化学メーカーの比較
  5. 計算化学記事まとめ
  6. 隣接基関与 Neighboring Group Participation
  7. 旭化成ファインケム、新規キラルリガンド「CBHA」の工業化技術を確立し試薬を販売
  8. 東亜合成と三井化学、高分子凝集剤の事業統合へ
  9. 2010年日本化学会年会を楽しむ10の方法
  10. ニホニウム: 超重元素・超重核の物理 (基本法則から読み解く物理学最前線 24)

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2016年10月
 12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31  

注目情報

最新記事

7th Compound Challengeが開催されます!【エントリー〆切:2026年03月02日】 集え、”腕に覚えあり”の合成化学者!!

メルク株式会社より全世界の合成化学者と競い合うイベント、7th Compound Challenge…

乙卯研究所【急募】 有機合成化学分野(研究テーマは自由)の研究員募集

乙卯研究所とは乙卯研究所は、1915年の設立以来、広く薬学の研究を行うことを主要事業とし、その研…

大森 建 Ken OHMORI

大森 建(おおもり けん, 1969年 02月 12日–)は、日本の有機合成化学者。東京科学大学(I…

西川俊夫 Toshio NISHIKAWA

西川俊夫(にしかわ としお、1962年6月1日-)は、日本の有機化学者である。名古屋大学大学院生命農…

市川聡 Satoshi ICHIKAWA

市川 聡(Satoshi Ichikawa, 1971年9月28日-)は、日本の有機化学者・創薬化学…

非侵襲で使えるpH計で水溶液中のpHを測ってみた!

今回は、知っているようで知らない、なんとなく分かっているようで実は測定が難しい pH計(pHセンサー…

有馬温泉で鉄イオン水溶液について学んできた【化学者が行く温泉巡りの旅】

有馬温泉の金泉は、塩化物濃度と鉄濃度が日本の温泉の中で最も高い温泉で、黄褐色を呈する温泉です。この記…

HPLCをPATツールに変換!オンラインHPLCシステム:DirectInject-LC

これまでの自動サンプリング技術多くの製薬・化学メーカーはその生産性向上のため、有…

MEDCHEM NEWS 34-4 号「新しいモダリティとして注目を浴びる分解創薬」

日本薬学会 医薬化学部会の部会誌 MEDCHEM NEWS より、新たにオープン…

圧力に依存して還元反応が進行!~シクロファン構造を活用した新機能~

第686回のスポットライトリサーチは、北海道大学大学院理学研究院化学部門 有機化学第一研究室(鈴木孝…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP