• 植物のがん予防成分「スルフォラファン」を作るために必須の“PMG1” 遺伝子
• がん予防成分のもととなる「グルコシノレート」を選択的に生合成
• PMG1の発現制御や遺伝子組換えでグルコシノレート生産のコントロールが可能に

1.

背　景

ヒトの体内に摂取された発がん物質は、肝臓などの細胞に含まれる第二相※4酵素と呼ばれる解毒酵素により無毒化されます。アブラナ科野菜にはがん予防効果が報告されていますが、その大きな理由はアブラナ科野菜に含まれる辛味成分であるイソチオシアネートに第二相酵素の量を増やす作用があるためです。イソチオシアネートはアブラナ科の野菜に含まれているグルコシノレートが分解酵素「ミロシナーゼ」の働きで分解されて生じる成分です。しかし、このグルコシノレートは化合物の系統によってヒトに対する活性が全く違い、例えばメチオニンからできるグルコシノレートの1種グルコラファニンがスルフォラファンという抗がん性分解物を生じるのに対し、トリプトファンからできるグルコシノレートの1つグルコブラシシンは、がんを引き起こす作用をもつ分解産物を生じることがあると知られています（図1）。そのため、グルコシノレート量を化合物の系統ごとに制御する仕組みを解明することができると、健康機能成分だけを高めた野菜を作ることが可能になります。

2.

研究手法と成果

研究によく用いられるモデル生物では、ゲノム塩基配列※5の解読が完了して大多数の遺伝子の構造が明らかになってきています。シロイヌナズナでは約27,000個の遺伝子が見つかっていますが、働きや役割が実験的に証明されている遺伝子は、その1割程度にとどまっています。しかしアレイ技術の発展と普及により、全遺伝子がどの成長段階で、どこの器官（葉・根・花など）に、どのような環境条件で発現するのか調べることが可能となっています。研究グループが2004年に『米国科学アカデミー紀要』で発表したシロイヌナズナの網羅的な遺伝子解析と細胞内化合物解析の論文（Hirai et al. PNAS 101: 10205-10210）では、このようなアレイ技術による網羅的遺伝子発現解析（トランスクリプトミクス）に加えて、質量分析装置などによる細胞内の数千種類に及ぶ化合物の網羅的解析（メタボロミクス）を先駆的に行い、それらの統合解析により得られた成果を報告しました。この論文は2005年度植物バイオテクノロジー分野で論文引用トップとなりました（『Nature Biotechnology』5月1日号）。そして続報で、トランスクリプトミクスとメタボロミクスの統合解析により、多数の遺伝子の役割を一度に高い精度で予測できることを示しました。 　これらの論文で、グルコシノレート生合成に働く酵素を作る遺伝子群は同じ発現パターンを持つ、つまり同じ時に同じ場所で働くということを突き止めていたため、本研究ではこれらの遺伝子と同じ発現パターンをもつ転写因子を探しました。研究グループが取得したマイクロアレイデータの他に、公共のデータベースに登録された多数のマイクロアレイデータを用いることで、メチオニン系グルコシノレートの酵素遺伝子と同じ発現パターンをもつ転写因子遺伝子PMG1を見つけることができました（図2）。 　これらの働きを抑制したり逆に強めたりしたシロイヌナズナを詳細に解析した結果、PMG1がメチオニン系グルコシノレートの酵素遺伝子だけを特異的に発現させる鍵制御因子であることを明らかにしました。 PMG1の働きを抑制したシロイヌナズナでは、メチオニン系グルコシノレートのみが減少し、化合物の系統ごとに蓄積量を制御することが可能となりました。また、通常ではまったくグルコシノレートを生産しない培養細胞でPMG1を過剰発現することにより、植物体での生産量に匹敵するグルコシノレートの生産が可能になりました。

3.	今後の期待
	PMG1の発現は、シロイヌナズナを栽培する時に与える栄養分の量により変化するという結果が得られています。栽培条件とPMG1発現量との関係を明らかにすることで、グルコシノレートの生産をコントロールできるようになります。またPMG1遺伝子を導入した培養細胞を用いてグルコシノレートのタンク生産も可能です。さらに、今回シロイヌナズナで解明した仕組みは、同じアブラナ科植物に広くあてはまる可能性が高く、グルコシノレートの種類を遺伝子でコントロール生産することは、スルフォラファン量の多い機能性野菜の開発につながります。

<補足説明>

※1	グルコシノレート
	アブラナ科とその近縁の科の植物が生産する硫黄と窒素を含む化合物でアミノ酸から生合成される。これまでにグルコラファニンやグルコブラシシンのほか120種類以上が報告されている。シロイヌナズナには主にメチオニン、トリプトファンから作られる約30種のグルコシノレートが含まれている。
※2	DNAマイクロアレイ
	スライドガラスやシリコン基板の上に、数万〜数十万の遺伝子の部分配列を高密度に配置し固定したもの。これを用いて、ある生物の特定の器官や組織で発現している遺伝子を網羅的に解析する。
※3	発現
	遺伝子が転写・翻訳されること、つまり遺伝子のスイッチが「オン」になって働くこと。
※4	第二相
	生体内の解毒反応では、有毒物質はまずチトクロムP450などの酵素により酸化、還元などの変化を受け、次に転移酵素によりグルタチオンやグルクロン酸、アシル基、糖などの化合物が付加されて無毒化される。この最初の反応を解毒の第一相、次の反応を第二相と呼ぶ。
※5	ゲノム塩基配列
	ある生物が持つすべての遺伝子DNA（ゲノム）の遺伝暗号である4種類の塩基（アデニン、グアニン、シトシン、チミン）の並び方のこと。

図1　グルコシノレートの合成・分解と生理作用の模式図

PMG1は、メチオニンからのグルコシノレート生合成にかかわる酵素遺伝子を正に制御してメチオニン系グルコシノレートの蓄積を促進する。シロイヌナズナはメチオニンおよびトリプトファンからそれぞれ複数のグルコシノレートを作り、図に示したのはその一例である。スルフォラファンには発がん物質を無毒化する第二相酵素を誘導する活性がある。

図2　研究手法のイメージ図

シロイヌナズナの全遺伝子と全化合物を分析して、グルコシノレート生合成酵素遺伝子群と同じ発現パターンを示す転写因子PMG1を発見した。