ゴシポールエナンチオマー生成機構及び綿実低毒性新材料の作製

Nature Plantsは、中国科学院分子植物科学卓越革新センターの陳暁亜研究グループが作成したDirigent gene editing of gossypol enantiomers for toxicity-depleted cotton seedsと題する研究論文をオンラインで発表した。本研究は綿花中の左旋と右旋綿フェノールの生合成を制御する重要な蛋白質を同定し、特徴づけ、遺伝子編集技術を通じて左旋綿フェノールを除去し、低毒性または無毒綿実を獲得し、綿花の抗虫能力に顕著な影響を与えなかった。この仕事は初めて遺伝子編集による特異的選択化合物のエナンチオマーを実現し、複雑な天然産物の非対称合成のために新しい道を開き、作物の遺伝改良と分子設計育種に重要な意義を持っている。

綿フェノールは綿花の中で重要なテルペン類植物保養素であり、クマノミ科綿属植物に広く存在している。それは2分子のセミコットンフェノール酸化カップリングによって生成され、軸キラリティを持ち、形成された2つのエナンチオマーの生物活性は全く異なる（図A）。その中で、左旋綿フェノールは人間と非反すう動物に生殖毒性を持ち、綿実中の豊富な油脂と蛋白質の利用を制限した。綿フェノールを全く含まない綿花品種が育成されているが、これらの品種はより病虫害にさらされやすい。対照的に、右スピン綿フェノールは哺乳動物の精子の生成に影響しないが、左スピン綿フェノールと同様の抗虫抗菌活性を有する。そのため、左スピン綿フェノールの合成を選択的に抑制し、右スピン綿フェノールの綿種子を保持することで、綿種子の生殖毒性を低下させると同時にその抗ウイルス能力を保持することができる。

チームは生物情報学的分析を通じて、2つの誘導タンパク質（DIR）遺伝子GhDIR 5とGhDIR 6が既知のゴシポール合成経路遺伝子と共発現することを発見した。酵素タンパク質と異なり、GhDIR 5とGhDIR 6は細胞外に位置する綿腺体に分泌される。GhDIR 5と多くのDIR遺伝子は同じ列のDIR遺伝子クラスタ中に直列に配列されている（A 04）が、GhDIR 6は別の染色体上に孤立しており（D 05）、空間的に分離されている。酵素活性化実験により、GhDIR 6は右スピン綿フェノールの生合成を制御することができ、GhDIR 5は左スピン綿フェノールの生合成を制御することができる（図A）。研究によると、CRISPR-Cas 9媒介の遺伝子編集技術によりGhDIR 5をノックアウトすることにより、綿実中の左スピン綿フェノールの形成を阻止することができる（図B）が、右スピン綿フェノールと他の構造が類似しているテルペン類化合物のレベルに顕著な変化がなく、綿花の抗虫性が保持されている。野生型綿実と比較して、左スピン綿フェノール含有量が低下した遺伝子編集綿実のマウス精細胞などの細胞系に対する毒性は著しく低下した。また、分子シミュレーションと突然変異分析により、左旋と右旋綿フェノール制御タンパク質の3つの重要アミノ酸残基がエナンチオマー選択性において重要な役割を果たすことが明らかになった。同時に、進化分析を結合し、左旋綿フェノールを担当するDIR遺伝子は500万~ 1300万年前に綿属植物の進化、拡散過程で選択されたものと推測され、これはげっ歯類の大爆発の時間であり、げっ歯類の繁盛は、抗生殖毒性を有するレボシポール及びその制御タンパク質の出現を加速させたと推測される。

以上より、本研究は綿花体内で綿花フェノール軸のキラル性を制御する肝心な蛋白質を同定し、遺伝子編集によって哺乳動物に有害な左回転綿花フェノールを選択的に除去し、綿花病虫能力を維持することができるだけでなく、綿花蛋白質と綿実油の安全利用のために新しい道を切り開いた。この研究は合成生物学的選択的操作軸を用いたキラル異性体の形成に重要な参考価値がある。また、GhDIR 5は工業化に用いられ、抗精子、抗ウイルス、抗腫瘍薬前駆体の製造に新たな技術ルートを提供した。

研究活動は国家重点研究開発計画、中国科学院の戦略的先導科学技術特別プロジェクト、国家自然科学基金などの支持を得た。中国科学院昆明植物研究所、海南省崖州湾種子実験室などの科学研究者が研究に参加した。

遺伝子編集GhDIR 5は綿実生殖毒性を低下させる。（A）コットンフェノールは2分子のセミコットンフェノール酸化カップリングにより形成される。GhDIR 5とGhDIR 6はそれぞれ左旋回と右旋回のゴシポール生成を制御する。（B）GhDIR 5遺伝子による綿花株系ノックアウトによる綿実中の左スピン綿フェノールの割合は顕著に低下した。