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Mar 25, 2023

単一植物細胞の分析により、天然産物の生合成に関する洞察が得られます

La pervinca del Madagascar (Pervinca pervinca) è un membro della famiglia dei Canidi.

イヌベチ科のマダガスカル産ツルニチニチソウ（ニチニチソウ）は、医療に関心のある多数のアルカロイドを生成します。 細胞レベルでの分析により、がん治療に使用される植物の 2 つの最も重要な天然産物、ビンクリスチンとビンブラスチンの生合成遺伝子の発見が可能になりました。

アテネ — ジョージア大学とドイツのマックス・プランク化学生態学研究所の国際研究者チームが、Nature Chemical Biologyに掲載された新しい研究によると、医療に重要な植物化合物の代謝経路を解読する有望な戦略を発見したという。 。

UGA農業環境科学部応用遺伝技術センターのChenxin Li氏が率いる研究チームは、人間の医学で抗がん剤として使用されるマダガスカル産ツルニチニチソウ（ニチニチソウ）からの2つのアルカロイドの生合成を研究した。 これらの活性物質を形成するための遺伝子は、さまざまな種類の細胞で発現されます。

単一細胞分析を使用することで、科学者たちは生合成に重要な新しい遺伝子を発見し、代謝経路の中間体が特定の細胞型に蓄積することを示すことができました。 中間体は、生物学的に重要な分子の前駆体または代謝産物である分子です。

研究者らは、この方法論的アプローチにより、植物界の他の多くの天然産物の生合成に関する重要な新たな洞察が得られると予測しています。

植物はその多様性、特に生成する代謝物の多様性において印象的です。 多くの天然植物産物は、マダガスカル産ツルニチニチソウによって生成されるアルカロイドのビンクリスチンやビンブラスチンなど、非常に複雑な分子で構成されています。 これら 2 つの物質はすでにがん治療に不可欠であり、研究者は、複雑な分子を形成するためにどのような個別の生合成ステップが必要であるかを解明することに興味を持っています。

「現在、これらの化合物は植物の葉の抽出物からまだ非常に少量しか得られません。私たちはこの化合物がどのように生産されるかを植物から学び、この知識を利用して、より費用対効果が高く、拡張性があり、持続可能な生産システムを開発することができます。」と同氏は述べた。研究の筆頭著者であるリー氏が研究目標を説明。

科学者は、植物の細胞間で遺伝子活性が異なり、化学反応が細胞ごとに大きく異なる可能性があることを知っています。 最近の研究の目標は、総称して単一細胞オミックスと呼ばれる一連の新しい手法を使用して、植物天然物の生合成において中心的な役割を果たし、より豊富な細胞によってシグナルが隠蔽されることが多い、特殊で希少な細胞タイプを調査することでした。植物の器官の種類。

「単一細胞オミックスにより、研究者が遺伝情報と代謝情報を個々の細胞に割り当てることができる方法が得られました」とMPIの天然物生合成部門アルカロイド生合成プロジェクトグループの責任者であり筆頭著者の1人であるロレンツォ・カプティ氏は言う。 、 言った。 「『オミクス』という用語は、遺伝子または代謝産物のコレクション全体が定量化され、分析されるという事実を指します。」

分析が示したように、アルカロイドであるビンブラスチンの生合成経路全体は 3 つの段階と 3 つの個別の細胞型で構成されています。

「第1段階は、IPAPと呼ばれる、葉の維管束に関連する特殊な細胞でのみ発現します」とLi氏は述べた。 「生合成経路の第2段階は、葉を覆う細​​胞層である表皮の細胞でのみ発現され、生合成経路の既知の最後の段階は、葉のまれな細胞型である特異芽細胞でのみ発現されます。」

研究者らは、単一細胞内のビンブラスチンの代謝経路におけるいくつかの中間体の濃度を測定し、その結果に驚きました。

「ビンブラスチンの2つの重要な前駆体であるカタランチンとビンドリンは、ビンブラスチン自体よりも約3桁高いミリモル濃度で特異芽細胞内に発生します」とMPIの天然物生合成部門の責任者であるサラ・オコナー氏は述べた。 「これらの細胞中の 2 つの前駆体の濃度は、私たちが予想したよりもはるかに高く、臓器全体の抽出物中の濃度を超えていました。

「しかし、この観察は、カタランチンとビンドリンが稀な特異細胞のみに存在するという点で理にかなっています。葉全体を粉砕すると、葉に豊富にある他の細胞によって高濃度が薄れてしまいます。」

研究チームのメンバーらは、ニチニチソウにおける薬効に関連するアルカロイドの生合成経路の組織化は孤立した現象ではないと確信していると述べている。

「私たちは、このような細胞型に特化した組織がどのように、そしてなぜ存在するのかを理解し始めたところです」と、ジョージア州研究同盟の作物ゲノミクスの著名な学者会長であるUGAのロビン・ビューエル氏は語った。 「さらに、特定の細胞型で同時に発現する遺伝子の分析は、この代謝経路における新たな役割を特定するのに役立ちました。同じ技術を他の多くの天然産物の生合成の研究にも使用できます。」

「最後に、表皮、維管束系、乳管などの植物化合物の正確な蓄積場所は、天然物の生態学的役割を仮説するのに役立ちます。たとえば、蓄積のパターンによっては、化合物はより多くの量を含む可能性があります。樹液を吸う昆虫よりも刺咬昆虫に対して効果的です。」

抗がん剤のビンクリスチンとビンブラスチンの生合成経路をより深く理解することは、これらの化合物を長期的により効果的に生産または収集するのにも役立つ可能性があります。 記載された方法の使用は、植物界からの他の多くの興味深く医学的に重要な天然産物の研究にも有望です。

この研究で説明されているアプローチは、これらの希少で特殊な細胞を絞り込み、それらに特有の遺伝子活性と化学を明らかにするのに役立ちます。

マリア M. ラメイラスは、ジョージア大学農業環境科学部の編集長です。

元々は、BLOX Digital Content Exchange の一部である albanyherald.com で公開されました。

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