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本草ゲノミクス(その2)

2017年 5月31日 陳士林(中国中医科学院 中薬研究所),宋経元(中国医学科学院 薬用植物研究所)

その1よりつづき)

2 本草ゲノミクスの研究内容

 本草ゲノミクスは、ゲノミクス研究の最新成果を利用し、漢方薬構造ゲノムや漢方薬機能ゲノム、漢方薬トランスクリプトーム・プロテオーム、漢方薬エピゲノム、漢方薬メタゲノム、中薬合成生物学、中 薬メタボローム、中薬ゲノミクス、漢方薬バイオインフォマティクス・データベースなどの理論研究を展開し、同時に、ゲノム研究の関連実験技術の本草学における応用・開発を評価し、本 草の生物学的本質の掲示を推進し、遺伝資源と化学物質、薬物治療効果の相互関係の認識を促進するものである。以下に、本草ゲノミクスの研究内容を詳しく紹介する。

2.1 漢方薬構造ゲノムの研究

 中国の薬用資源は種類が多い。そのため薬用品種の全ゲノム計画におけるシーケンシング品種の選択にあたっては、品種の経済価値と科学的な意義を総合的に考慮し、小さいゲノムから大きなゲノムへ、単 純なゲノムから複雑なゲノムへという順序でシーケンシング研究を行う必要がある。シーケンシングプラットフォームの選択においては、第2世代・第 3世代のハイスループットシーケンシングプラットフォームを中心とし、第1世代シーケンシング技術を補助とするべきである。近年、紫芝や赤芝、茯苓(ブクリョウ)、丹参、人参、三七(サンシチ)な どの10種余りの薬用植物が、本草ゲノム計画の第1弾のシーケンシング品種として選出された。このうち赤芝の構造ゲノムは、「中国の『仙草』ゲノムの秘密が明らかに」とのタイトルで『USAトゥデイ』( USAToday)に報道されている。また丹参は、ゲノムが小さく(約600Mb)、生長周期が短く、組織培養と遺伝形質転換の体系が成熟しているなどの原因から、中 薬の活性成分の生合成の研究の理想的なモデル植物と考えられている [23] 。丹参の全ゲノムシーケンシングの完成はすでに、丹参を第一の薬用モデル植物とした研究体系の形成を推進している。

 多数の薬用植物は系統的な分子遺伝学研究が欠けていることから、全ゲノム計画を展開する前にゲノムの事前分析を行う必要に迫られている。ゲノムの事前分析には主に次の内容が含まれる。① バーコーディングなどの技術を利用し、選出原則を満たすシーケンシング待ち品種の同定を行う [24-25] ;②有糸分裂中期の染色体の観察を通じて、シーケンシング待ち品種の染色体の倍数性と本数を確定する。③ フローサイトメトリー [26] またはパルスフィールド電気泳動技術を採用し、品種のゲノムの大きさを推測し、シーケンシングプラットフォームの選択に参考を提供する。④ゲノムサーベイシーケンシング。大 規模な全ゲノムの高度なシーケンシングの前に、選出した薬用植物にまず、カバー度の低いサーベイシーケンシングを行い、そのゲノムの大きさや複雑度、重複配列、GC含有量などの情報の評価に用いる。

 遺伝地図と物理地図は、植物の複雑な大ゲノムアセンブリのいて重要な役割を果たす。遺伝地図または物理地図における分子マーカーを利用することにより、シ ーケンシングと貼り付けによって生まれるscaffoldsを順番に染色体上に定位することができる。だが遺伝地図の構築には、遺伝関係の明確な親株と子株が必要であり、大 多数の薬用植物における応用は制限される。物理地図は、DNA上で識別できるマーカーの位置と相互間の距離を記述するものである(塩基数)。最初の物理地図の作成は多くがBACライブラリーに基づくもので、制 限酵素消化フィンガープリント地図や蛍光in situハイブリダイゼーションなどの技術を通じて、BACクローンを染色体上の順序に沿って配列し、染色体上の一部領域を間断なくカバーする [27] 。現在、光 学地図OpGen [28] や一分子光学地図BioNanoなど [29] は、大分子DNA酵素消化マーカーの方法に基づき、物理地図の作成に常用されている。

 第2世代シーケンシング技術の急速な発展に伴い、短配列アセンブリングに用いるバイオインフォマティクスソフトウェアが大量に出現した。常用されるソフトウェアには、Velvet [30] やEuler [31] 、SOAPdenovo2 [32] 、CAP3 [33] などがある。ゲノムドラフトのアセンブリの完成後、バイオインフォマティクスの方法を利用し、ゲノムの分析とアノテーションを行い、後 続の機能ゲノム研究に豊富な資源を提供することができる。例えば、G eneScan [34] やFgeneSH [35] などのツールを通じて遺伝子を発見・予測し、B LAST相同性配列アラインメントまたはInterProScan [36] 構造ドメイン検索などの方法を利用して遺伝子のアノテーションを行い、GO分析を利用して遺伝子の機能分類を行い [37] 、K EGGを利用して代謝経路の分析などを行うことができる [38]

2.2 漢方薬機能ゲノムの研究

 全ゲノム配列と構造情報に基づき、漢方薬機能ゲノム研究は、トランスクリプトミクスやプロテオミクス、メタボノミクスなどの方法を十分に利用し、薬用植物の機能遺伝子に対するマイニングと同定を行う。研 究内容は主に、モデル薬用植物プラットフォームの構築や二次代謝産物の合成経路と制御メカニズムの解析、耐病・耐ストレスなどの優良農業形質の遺伝メカニズムの掲示などに集中している。

 シロイヌナズナやイネなどの重要モデル植物はいずれも、大規模なT-DNA挿入突然変異体ライブラリーを持っており、これらの突然変異体ライブラリーを利用して、生長発育やストレス耐性、代 謝に関連する大量の重要な遺伝子をマイニングした。丹参などのモデル薬用植物の全ゲノム配列と大規模突然変異体ライブラリーの構築は、薬用植物研究に豊富な資源と材料を提供し、薬用植物の機能遺伝子の研究、と りわけ二次代謝経路の関連遺伝子の同定プロセスを推進している。突然変異体ライブラリー中の、ストレス耐性や耐病性、高収量などの優良な形質を持った突然変異株や、遺伝子組み換え株も、良好な新遺伝資源となる。薬 用植物の有効成分の生合成経路と制御の面の研究はまだ弱く、ニチニチソウやクソニンジン、甘草などの少数の品種に主に集中している。パクリタキセルやビンブラスチン、カ ンプトテシンなど重大な商業価値を持つ天然薬物の生合成経路はまだ完全には解析されておらず、すでにある報告は多くが単一遺伝子研究戦略を取っている。本草ゲノミクスは、二次代謝経路の関連遺伝子の“量産型”マ イニングに土台を築くもので、二次代謝産物の生合成や代謝工学などの応用分野に重要な影響を生むものとなる。

 生長・発育や耐ストレス・耐病、重要な遺伝・生殖形質の制御に関連する遺伝子は、薬用植物の重要な機能遺伝子である。ゲノムアノテーション情報を利用し、優良な遺伝子をマイニングし、遺 伝子工学の手段を運用して生殖的隔離を打破し、活性成分の含有量が高く優良な農業形質を持つ新品種を育てることは、活性成分の大量抽出と広範な臨床応用に土台を築くものとなる [39] 。漢方薬構造ゲノムは、ト ランスクリプトーム分析とゲノムリシーケンシング研究に参考配列を提供し、品 種内または品種間の集団の個体に対するトランスクリプトームシーケンシングとリシーケンシングを通じて、SNPやSSR、I nDelなどの分子マーカーをすばやく正確に大規模に発見し、分 子マーカーと優良形質の遺伝的連鎖の研究を加速し、薬用植物の表現型や生理的特徴と遺伝子型との関係をすばやく発見し、育 種事業の効率を高めることができる [39]

2.3 中薬オーミクスのその他の研究

 漢方薬トランスクリプトミクスは、漢方薬機能ゲノミクスの重要な研究内容であり、漢方薬のある生長段階における特定組織または細胞中のすべてのトランスクリプトの種類や構造、機能、遺 伝子転写制御法則を全体レベルから研究する科学である。漢方薬トランスクリプトームの研究は、漢方薬植物の生長発育や耐病・耐ストレスなどの優良な形質に関連する遺伝子機能の同定に土台を提供するものとなる [40-41] 。現在、多くの漢方薬植物で全ゲノムシーケンシングが行えないという状況下で、転写発現プロファイル研究は、遺伝子配列の比較や遺伝子発現の同定のスピーディーな方法の一つとなっている。漢 方薬の異なる組織部位や異なる生長時期、異なる生長環境下のトランスクリプトームを比較分析することによって、漢方薬植物の生長発育や耐病・耐 ストレスなどの優良形質にかかわる遺伝子を有効にマイニングすることができる。

 中薬プロテオミクスは、プロテオミクス技術を中薬研究分野に応用するものである。これは一方では、細 胞または動物組織のタンパク質の発現プロファイルと中薬を投じた後のタンパク質の発現プロファイルの差異を比較対照することで、中薬の予想されるターゲットにかかわるタンパク質を見つけることができる。も う一方では、異なる漢方薬とその異なる成分、例えば根・茎・葉中のプロテオーム的の差異によって、漢方薬の活性成分とその生長過程におけるプロテオームの変化との関係を評価し、中 薬の高活性のメカニズムを探るものである。その他のプロテオミクスとは異なり、中薬プロテオミクスは、漢方薬そのものと中薬(単体化合物または中薬成分、調合薬)を用いて処理した後の生物体(細胞または組織)を 研究対象とし、中薬の有効成分と作用メカニズムを発見するものである。中薬プロテオミクスの研究目標には次のものが含まれる。中薬の薬物作用ターゲットの発見と確認、とりわけ中薬の復方(調合薬)の マルチターゲットの効果をめぐって、プロテオミクスは、中薬復方の多種類のターゲットをより良く発見し、中薬植物のタンパク質の組成の差異を研究し、中薬の作用メカニズムと中薬の毒理作用メカニズムを解明し、中 薬の適合性に科学的な根拠を提供することができる。

 中薬メタボノミクスは、漢方薬の構造ゲノムと結び合わせ、代謝物の合成経路と代謝物ネットワーク、制御メカニズムを解析するものである。研究内容には主に、薬用植物の認識と質の評価、薬 用植物品種の選育とストレス耐性の研究、一次・二次代謝経路の解析、代謝ネットワーク・代謝工学研究、合成生物学研究などいくつかの分野があり、これらは最終的に、薬用植物品種の選育や革新薬物の研究開発、品 質安全性評価に土台を築くものとなる。

 中薬ゲノミクスは、遺伝子配列の多型と薬物効果の多様性との間の関係を遺伝子レベルから研究し、異なる個体に対する遺伝子とその突然変異体の薬物作用効果の差異の影響を研究し、こ のプラットフォームによって薬物開発と合理的な服薬を指導し、薬物の安全性と有効性の向上、有害反応の回避、薬物治療の費用とリスクの減少、カスタマイズされた精密医療の実現に重要な情報・技 術の保障を提供するものとなる。例えばSertelら [42] は、遺伝子テストを通じて、53/56遺伝子の上流に一つまたは複数のc-Myc/Max結合部位があることを示した。c -MycとMaxの媒介する転写制御遺伝子の発現は、が ん細胞に対するアルテスネイトの治療効果の向上を助ける可能性がある [43] 。またイチョウは、CYP2C19の活性効果を誘導する顕著な作用がある。研 究によると、異なるCYP2C19遺伝子型の個体においてイチョウとオメプラゾール(omeprazole、幅 広く使用されるCYP2C19の基質)には、漢方薬と西洋薬との潜在的な薬物相互作用の関係がある。C henら [44] は、健康なボランティアの体内における六味地黄丸の潜在的な漢方薬・西洋薬の相互作用と遺伝子型の影響の有無を研究した。

 漢方薬エピジェネティクスは、本草ゲノム計画における重要な経済価値を持つ薬用植物と、異なる二次代謝経路を代表するモデル薬用植物をターゲットとして、エピゲノミクスの研究を行うものである。研 究内容には主に、(1)DNAのメチル化、(2)タンパク質の共有結合修飾、(3)クロマチン再構成、(4)ノンコーディングRNA制御――の4つの分野が含まれる。漢方薬エピゲノミクスは、重要な中薬材( 薬用生物)のゲノム情報とそのエピジェネティック情報の変化の研究を通じて、環境と遺伝子、遺伝子と遺伝子との相互作用を探り、どの遺伝子が環境因子の影響を受けてエピジェネティックな変化を生じ中薬材の薬効・品 質を高めることができるか、どのエピジェネティック情報が中薬の性味(せいみ)に影響するかなどを解析するものである。

 漢方薬メタジェノミクスは、多種類の微生物ゲノムを研究対象とし、薬材の生長環境における微生物の多様性や個体群の構造、進化関係、機能活性、微生物と薬材の生長との相互協力関係を研究する領域であり、漢 方薬の連作障害などの現実問題の解決を助ける重要な指導的役割を持っている。

 薬用モデル生物の研究体系の確立は、本草ゲノミクスの重大な貢献であり、この体系は、モデル生物の共通の特徴を備えている。一般的な生物学的属性から見ると、通常、世代周期が比較的短く、子孫が多く、表 現型が安定しているなどの特徴を持つ。遺伝資源から見ると、ゲノムが比較的小さく、全ゲノムシーケンシングを行いやすく、遺伝形質転換が比較的容易である。薬用特性から見ると、二 次代謝産物の生合成と生産の研究に適している必要がある。

その3へつづく)

参考文献

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※本稿は陳士林,宋経元「本草基因組学」(『中国中薬雑誌』第41卷21期、2016年11月、pp.3881-3889)を『中国中薬雑誌』編集部の許可を得て日本語訳・転載したものである。記事提供:同 方知網(北京)技術有限公司


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