植物種子において特定のタンパク質を大量に蓄積する仕組みの発見

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2023-11-27 基礎生物学研究所

近年、タンパク質は人間や家畜の栄養源としてだけでなく工業用の酵素やバイオ医薬品として利用が進んでおり、これらの有用タンパク質を大量に合成する方法が模索されています。現在、工業用酵素やバイオ医薬品は微生物や培養細胞を用いて生産されていますが、病原体の混入や生産コストの高さなどが問題となっています。植物による生産は、これらの問題点を克服する有効な手段であると考えられています。
ダイズを始めとした植物の種子は大量のタンパク質を蓄積することが知られていますが、蓄積するタンパク質の種類が少ないことが特徴です。植物は体内で数万種類のタンパク質を作りますが、種子に蓄積するタンパク質は種子貯蔵タンパク質と呼ばれる数種類であり、これら数種類のタンパク質が種子に含まれる全タンパク質の90%以上を占めます。このように、種子には特定のタンパク質だけを大量に蓄積する仕組みがあるものの、その詳細はまだ明らかになっていませんでした。
今回、基礎生物学研究所の金井雅武特任助教、真野昌二准教授らを中心とする共同研究グループはモデル植物シロイヌナズナを用いて、種子貯蔵タンパク質の遺伝子の末端に、大量蓄積するために不可欠な配列が存在することを明らかにしました。この配列を通常ならば種子に蓄積しないタンパク質の遺伝子に付加することで、そのタンパク質が種子に大量蓄積することを示しました。さらに、この方法を使用して、バイオ医薬品候補の1つであるインターフェロンを大量合成・蓄積させることに成功しました。
今後、この仕組みを活用して様々な有用タンパク質やバイオ医薬品を植物の種子で生産する方法が発展することが期待されます。

【研究の背景】
種子は植物における子孫であり、発芽直後の初期成長のためにたくさんの栄養を蓄積します。種子はエネルギー源となる炭水化物や脂質だけでなく、アミノ酸源となるタンパク質も大量に蓄積します(図1)。植物は体内で数万種類のタンパク質を作りますが、種子に蓄積するタンパク質は種子貯蔵タンパク質と呼ばれる数種類であり、これら数種類のタンパク質が種子の全タンパク質の90%以上を占めます。このように、種子には特定のタンパク質だけを大量に蓄積する仕組みを持っています。近年、医薬品や工業用酵素としてのタンパク質の需要が拡大しており、特定のタンパク質だけを大量に蓄積する特徴を持つ植物種子は、次世代のタンパク質工場としての期待が高まっています。しかしながら、種子がどのようにして特定のタンパク質だけを大量に合成・蓄積しているのかは不明でした。
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図1 植物種子細胞の電子顕微鏡写真

植物種子の細胞は物質を貯蔵するための細胞小器官(貯蔵オルガネラ)が発達しており、細胞体積の大部分を貯蔵オルガネラが占める。この写真はモデル植物のシロイヌナズナの種子細胞であり、細胞の中心に見える白色の斑点がある灰色の大きな球体がタンパク質を貯蔵する細胞小器官であるプロテインボディ(PB)、隙間を埋めるように存在する斑点のない灰色の小さな球体が油を貯蔵するオイルボディ(OB)である。

【研究の成果】
本研究では、シロイヌナズナの種子貯蔵タンパク質である12S1タンパク質をコードする12S1遺伝子から蓄積に必要な領域を探索したところ、遺伝子の末端に存在する非翻訳領域(3’UTR)が種子における大量蓄積に必要不可欠であることを見出しました。この3’UTRが他の遺伝子でも機能するかどうかを検証するため、通常であれば種子に蓄積しないタンパク質である、リンゴ酸脱水素酵素(pMDH1)をコードする遺伝子の末端にこの3’UTRを付加したところ、リンゴ酸脱水素酵素を大量に蓄積させることを確認しました(図2)。さらにバイオ医薬品であるインターフェロンの1つであり、人間のC型肝炎ウイルスの治療薬候補であるインターロイキン28B(IL28B)をコードする遺伝子の末端に12S1遺伝子の3’UTRを付加しシロイヌナズナに導入することで、シロイヌナズナ種子にインターロイキン28Bを大量に蓄積させることに成功しました(図3)。
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図2 リンゴ酸脱水素酵素遺伝子(pMDH1)を導入したシロイヌナズナ種子のタンパク質電気泳動写真

pMDH1遺伝子を導入したシロイヌナズナ種子に蓄積している主要なタンパク質をCBB染色試薬で可視化した。pMDH1遺伝子を導入しただけではpMDH1タンパク質は蓄積しないが(真ん中のレーン)、pMDH1遺伝子の末端に12S1遺伝子の3’UTRを付加したものを導入した場合、pMDH1タンパク質は種子の主要なタンパク質となるほど蓄積した(右レーンpMDH1-3’UTR12S1)。矢頭はpMDH1タンパク質のバンドを示す。
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図3 IL28B遺伝子を導入したシロイヌナズナ種子のタンパク質電気泳動写真とIL28B活性比較

(A)IL28B遺伝子を導入したシロイヌナズナ種子に蓄積している主要なタンパク質をCBB染色試薬で可視化した。IL28B遺伝子の末端に12S1遺伝子の3’UTRを付加したものを導入した場合、IL28Bタンパク質は種子の主要なタンパク質となるほど蓄積した(IL28B-3’UTR12S1)。矢頭はIL28Bタンパク質のバンドを示す。
(B)植物種子で合成されたIL28Bとヒト培養細胞で合成されたIL28Bの活性を比較したところ、植物種子由来のIL28Bはヒト培養細胞由来の80%程度であり、十分な機能を持っていた。

【今後の展望】
本研究の成果により、植物種子において特定のタンパク質を蓄積する仕組みの一端が明らかになりました。今後は、3’UTRの働きをさらに詳細に解明することで、バイオ医薬品や工業用酵素を植物種子で作ることが可能になります。植物種子による生産は、現在の微生物や培養細胞を用いた場合と比較して、安価かつ安全な生産システムになることが期待されます。

【発表雑誌】
雑誌名 Scientific Reports
掲載日 2023年7月23日
論文タイトル:Fusing the 3’UTR of seed storage protein genes leads to massive recombinant protein accumulation in seeds.
著者:Masatake Kanai, Masaya Sugiyama, Maki Kondo, Kenji Yamada, Mikio Nishimura, Shoji Mano
DOI:10.1038/s41598-023-39356-3

【研究グループ】
本研究は、基礎生物学研究所(金井雅武、近藤真紀、真野昌二)、国立国際医療研究センター(杉山真也)、ヤギェウォ大学(山田健志)、甲南大学(西村幹夫)からなる研究チームによって実施されました。

【研究サポート】
本研究はAMEDの課題番号22fk0310520h0001「B型肝炎ウイルスの全長POL発現技術を基盤としたPOL機能の解明と新規薬剤開発」の支援を受けて行われました。

【本研究に関するお問い合わせ先】
基礎生物学研究所 オルガネラ制御研究室
特任助教 金井 雅武

【報道担当】
基礎生物学研究所 広報室

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