Veratrum maackii と Veratrum nigrum の比較トランスクリプトーム解析により、ステロイド性アルカロイド生合成に関与する複数の候補遺伝子が明らかになりました

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8198 (2023) この記事を引用

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ベラトラム（メランチア科、ユリ目）は、独特の生理活性ステロイド性アルカロイドの生成で知られる多年生草本の属です。 しかし、下流の酵素段階の多くがまだ解決されていないため、これらの化合物の生合成は不完全に理解されています。 RNA-Seq は、代謝活性のある組織のトランスクリプトームを目的の経路を欠くコントロールと比較することにより、代謝経路に関与する候補遺伝子を同定するために使用できる強力な方法です。 野生の Veratrum maackii および Veratrum nigrum 植物の根と葉のトランスクリプトームが配列決定され、437,820 個のクリーン リードが 203,912 個のユニジーンに組み立てられ、その 47.67% に注釈が付けられました。 我々は、ステロイド性アルカロイドの合成に潜在的に関与する、差次的に発現される 235 個のユニジーンを同定しました。 新しい候補シトクロム P450 モノオキシゲナーゼおよび転写因子を含む 20 のユニジーンが、定量的リアルタイム PCR による検証のために選択されました。 ほとんどの候補遺伝子は、葉よりも根でより高いレベルで発現されましたが、両方の種にわたって一貫したプロファイルを示しました。 ステロイド性アルカロイドの合成に関与すると推定される 20 個のユニジーンのうち、14 個はすでに知られていました。 我々は、3 つの新しい CYP450 候補 (CYP76A2、CYP76B6、および CYP76AH1) と 3 つの新しい転写因子候補 (ERF1A、bHLH13、および bHLH66) を同定しました。 我々は、ERF1A、CYP90G1-1、およびCYP76AH1が、V. maackiiの根におけるステロイド性アルカロイド生合成の重要なステップに特に関与していると提案する。 我々のデータは、Veratrum属におけるステロイド性アルカロイド生合成の初めての異種間解析を表しており、V. maackiiとV. nigrumの代謝特性が、それらの異なるアルカロイドプロファイルにもかかわらず広く保存されていることを示している。

Veratrum は、北半球の温帯地域に広く生育する約 40 種の多年生草本植物からなる属です 1,2。 有毒ではありますが、いくつかのベラトラム種の根は、西洋薬草学や伝統的な中国医学の文脈において、鎮痛、炎症 3,4、腫瘍 5,6,7、悪性潰瘍 8、血栓症 1 の治療に慎重に使用されています。 主な活性化合物はジャービン（およびその誘導体シクロパミン）、セバニン、ベラトラミンなどのステロイド系アルカロイドであり、これらは細胞ベースのアッセイや動物モデルでさまざまな医学的に関連した生物活性を示します9,10。 Veratrum 種におけるステロイド性アルカロイドの合成には、サイトゾルのメバロン酸および MEP 経路によって生成されるイソプレノイド単位が必要です。イソプレノイド単位は、いくつかの酵素段階を経て、スクアレン、次に環状中間体のシクロアルテノール、そして最終的にコレステロールに変換されます 11、12、13。 コレステロールからステロイド性アルカロイドへの変換には、シトクロム P450 モノオキシゲナーゼ (CYP450) とグリコシルトランスフェラーゼ (GT) という 2 つの主要な遺伝子ファミリーが必要です 14、15、16。 経路のこの下流部分に関与する酵素の多くは、ステロイド性アルカロイド生合成を調節する転写因子と同様に不明です。

比較トランスクリプトミクスは、代謝活性のある組織と目的の経路を欠く対照組織を比較することにより、代謝酵素をコードする遺伝子とそれらを調節する転写因子を同定できる強力なアプローチです17,18。 最近、代謝産物レベルと RNA-Seq データとの相関関係により、Veratrum californicum のステロイド性アルカロイド生合成に関与する 4 つの酵素 (3 つの CYP450 を含む) が同定されました 19。 さらに、Veratrum nigrum の茎、葉、根のトランスクリプトームの包括的な比較により、シクロアルテノールからコレステロールまでのセグメントの 11 の酵素を含む、経路のさまざまな部分に関与する 73 の追加の候補遺伝子が明らかになりました 10。 ここでは、同様の比較トランスクリプトミクスアプローチを適用しましたが、Veratrumステロイドアルカロイド生合成経路の共通成分だけでなく種間の違いを調べるために、異なるステロイドアルカロイドプロファイルを持つ2つのVeratrum種を含めました。 V. maackii と V. nigrum の根と葉のトランスクリプトームを比較し、RT-PCR によって遺伝子発現の違いを検証しました。 私たちの結果は、ステロイド性アルカロイド代謝に関連する新しい遺伝子の発見に貴重なゲノム情報源を提供します。