石川県公立大学法人 石川県立大学 国立大学法人 北陸先端科学技術大学院大学

ベタレイン色素の新たな生合成経路を解明
― ゴムフレニンI合成酵素 cDOPA6GT を世界で初めて発見 ―

ポイント

• ツルムラサキおよびセンニチコウから、ゴムフレニンI生合成に関わる新規糖転移酵素cDOPA6GTを発見
• タバコ培養細胞を用いたゴムフレニンIの人為的大量生産系の構築に成功
• ゴムフレニンIが、ベタニンより高い熱安定性を示すことを発見

研究背景と概要

　ナデシコ目植物の多くがベタレイン色素^*1 を生産し、赤色系のベタシアニン^*2 と黄色系のベタキサンチンに大別されます。ベタシアニンは、基本骨格であるベタニジンにグルコースが付加されることで形成されます。この修飾では、分子内の5位または6位にグルコースが付加されることが知られており、5位に付加したものをベタニン型、6位のものをゴムフレニン型と呼んでいます（図１）。ベタレイン生産植物の多くはベタニン型ベタシアニンを生産しますが、ゴムフレニン型を生産する植物は限られています。
　それぞれのタイプを決定する酵素について、ベタニン型では、ベタニジンの5位にグルコースを付加する酵素（Betanidin 5-O-glucosyltransferase、B5GT）と、ベタニジンの前駆体であるシクロドーパの5位にグルコースを付加する酵素（cyclo-DOPA 5-O-glucosyltransf-erase、cDOPA5GT）が報告されています（図１右）。一方、ゴムフレニン型については、ベタニジンの6位にグルコースを付加する酵素（Betanidin 6-O-glucosyltransferase、B6GT）は、これまでに1例しか報告されていませんでした（図1左下）。そのため、ゴムフレニン型ベタシアニンの生合成機構の全体像は未解明のままであり、20年以上にわたり未解決の課題となっていました。
　本研究では、ゴムフレニン型ベタシアニンを生産していることが知られているツルムラサキ^*3 とセンニチコウ^*4 を対象として、ゴムフレニンI^*5 の生合成に関わる酵素遺伝子の探索を行いました。両植物はゲノム情報が公開されていなかったため、RNA-seq^*6 解析によって取得した遺伝子発現情報から転写産物の配列を再構築し、候補遺伝子を抽出しました。まず、これまでに報告されているB6GTのアミノ酸配列を手がかりに候補遺伝子を選抜し、ベンサミアナタバコを用いたアグロインフィルトレーション法^*7 によって機能解析を行いました。しかし、ゴムフレニンIを合成する酵素は見いだせませんでした。この結果は、ツルムラサキとセンニチコウにおいて、ゴムフレニンIの生合成に未知の酵素が関与している可能性を示していました。
　そこで、私たちは、これまで報告のなかったベタニジンの前駆体であるシクロドーパの6位にグルコースを付加してゴムフレニンIを合成する新たな経路の存在を想定し、その反応を担う酵素（cyclo-DOPA 6-O-glucosyltransferase、cDOPA6GT）の探索を行いました（図１左上）。ベタニン型ベタシアニンでは、複数の植物種でcDOPA5GTが報告されていることから、キヌアのcDOPA5GTのアミノ酸配列を手がかりに、相同性解析を行いました。その結果、ツルムラサキから2つ、センニチコウから1つの有力な候補遺伝子を見いだしました。これらの候補について、機能解析を行った結果、ツルムラサキ由来のBacDOPA5/6GT1およびBacDOPA5/6GT2は、ベタニンとゴムフレニンIの両方を生産すること、一方でセンニチコウ由来のGgcDOPA6GTはゴムフレニンIのみを生産することが明らかとなりました（図２）。これにより、長年未解明であったゴムフレニン型ベタシアニンの生合成において、世界で初めてcDOPA6GT経路の存在を実証しました。
　次に、ゴムフレニンI合成活性を示した遺伝子を、他のベタシアニン生合成遺伝子とともにタバコ培養細胞（BY-2細胞）へ導入し、ゴムフレニンIの人為的生産系の構築を行いました。その結果、遺伝子を導入した培養細胞は赤色を呈し、蓄積した色素を精製し、NMR^*8 による構造解析を行ったところ、ゴムフレニンIであることが確認されました（図３）。さらに BacDOPA5/6GT1、BacDOPA5/6GT2およびGgcDOPA6GTを導入した培養細胞では、ゴムフレニンIが高濃度で蓄積していることが確認されました。これらの結果から、ゴムフレニンIの人為的生産系の構築に成功しました。
　さらに、タバコ培養細胞で生産したゴムフレニンIとベタニンを用いて、それぞれの熱安定性を評価しました。その結果、ゴムフレニンIは、ベタニンに比べて有意に高い熱安定性を示しました（図４）。そこで、両色素の分子構造シミュレーション*9 解析を行った結果、ゴムフレニンIではグルコース部分と色素骨格との間に、ベタニンには見られない分子内水素結合が形成される可能性が示されました（図４）。この分子内水素結合が、ゴムフレニンIの高い熱安定性に寄与していると考えられます。
　本研究により、長年未解明であったゴムフレニン型ベタシアニンの生合成機構が明らかとなり、世界で初めてcDOPA6GT経路の存在が実証されました。本成果は、ベタレイン色素の生合成機構の理解に貢献するとともに、熱に強い天然色素の開発や利用技術の高度化、新たな機能性天然色素の創出につながることが期待されます。
　本研究は、日本学術振興会 科学研究費助成事業（科研費）の支援を受けて実施されました。また、本研究の一部は、文部科学省マテリアル先端リサーチインフラ事業（ARIM）の支援を受けて実施されました。

図１ ゴムフレニン型およびベタニン型ベタシアニンの生合成経路
・本研究により、世界で初めてcDOPA6GT（黄色）の経路を実証した。

【用語の説明】

【発表論文】

令和8年6月19日