ウリ科の一年草、ゴーヤー。この植物の苦味成分のつくられ方の解明が進んでいる。


 苦味が特徴的な「ゴーヤー」に光を当てている。前篇では、ゴーヤーが地方野菜から全国野菜になった経緯を伝えた。沖縄での害虫根絶や育種の取り組みと、全国での健康ブームなどが相まって、1990年代、この野菜は日本中に広まった。

 後篇では、ゴーヤーを対象とする研究を伝えたい。苦味をもたらす成分が個体内でどのようにつくられているかの解明が進んでいるのだ。苦味成分の合成過程のほとんどが葉で進んでいることも分かった。ゴーヤーをめぐる遺伝情報が網羅的に解析され、それが人とゴーヤーの新たな関係性をもたらそうとしている。

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苦味に関与する酵素の遺伝子を探していく

 ゴーヤーの苦味はどうつくられるか。これまでの研究で、苦味成分は「ククルビタシン類」とよばれる化合物群であることが分かっている。だが、どうやってゴーヤーの個体内でこれらの苦味成分がつくられるのかについては未解明な部分が多い。それが解明されれば、苦味を制御したゴーヤーを開発したり、機能性のある化合物だけを抽出して利用したりといった応用にもつながる。

久城哲夫(くしろ・てつお)氏。明治大学農学部農芸化学科准教授。博士(薬学)。東京工業大学大学院理工学研究科化学専攻修士課程を修了。東京大学大学院薬学系研究科博士課程を修了。日本学術振興会特別研究員、米国スクリプス研究所博士研究員、理化学研究所研究員、東京大学大学院薬学系研究科助教を経て、2010年より現職。専門分野は、天然物化学、ケミカルバイオロジーなど。炭素原子を30個持つ炭化水素「トリテルペン」の生合成酵素などが研究対象。


 苦味成分の生合成経路を解明しようとしているのが、かずさDNA研究所(千葉県)の鈴木秀幸氏らと、明治大学の久城哲夫氏らの共同研究グループだ。研究所がデータ解析をし、大学が重要な遺伝子や化合物を突きとめる。両氏ともククルビタシン類を含む化合物や、それらの生合成経路に興味を持っていた中、2010年に共同研究が始まった。

 研究での具体的な目標を、久城氏はこう話す。

「ククルビタシン類がつくられる過程ではたらく酵素の遺伝子を、ひとつでも多く探し出すことです」

 ククルビタシン類がゴーヤーの個体内でつくられるまでには、化合物が次々と構造を変えていくステップを踏む。その各ステップを前進させるのが各種の酵素だ。酵素の“設計図”である遺伝子を突きとめて単離できれば、その遺伝情報からいつでもククルビタシン類の合成ができる。そうなれば、そのステップの生合成経路は解明されたことになる。

 しかし、ゴーヤーには万単位の遺伝子がある。1つずつの遺伝子を闇雲に調べていけば、いつかは酵素の遺伝子を見つけられるだろうが、膨大な時間がかかってしまう。そこで大いに活用しているのが、かずさDNA研究所の遺伝子探索技術だ。鈴木氏は言う。

「ビッグデータからいかに効率よく“当たり”の遺伝子だけをとるか。つまり、遺伝子マイニングを、かずさDNA研究所は得意技としてきました」

苦味成分になるまでの最初のステップを解明

鈴木秀幸(すずき・ひでゆき)氏。かずさDNA研究所特別客員研究員。薬学博士。千葉大学大学院薬学研究科博士後期課程を修了。北里大学薬学部助手などを経て、2005年かずさDNA研究所へ。その後、同研究所で主任研究員、主席研究員、機器分析グループ長、バイオ研究開発部グループ長、ゲノム事業推進部グループ長などを歴任。千葉大学大学院薬学研究院客員教授などを兼任している。専門分野は植物代謝工学、植物分子生物学など。網羅的な遺伝子発現解析(トランスクリプトーム解析)や網羅的な代謝物解析(メタボローム解析)などによるオミクス解析の手法などを研究。


 研究グループは、まず、ククルビタシン類の生合成経路の初期段階にある「2,3-オキシドスクアレン → ククルビタジエノール」というステップに焦点を絞った。このステップに関与する酵素は何か。化学構造上の特徴から「ククルビタジエノール合成酵素(McCBS)」が関与していると予測できた。

 そこで鈴木氏らは、ゴーヤーで発現しているメッセンジャーRNA(mRNA)を次世代シークエンサーとよばれる装置で解析した。mRNAを解析すれば、酵素の機能の解明とともに、酵素の遺伝子の特定ができる。久城氏のもとで研究していた高瀬翔平氏(現・東京薬科大学研究員)らの貢献もあり、研究グループはMcCBSの遺伝子単離に成功した。

 さらに、2,3-オキシドスクアレンからククルビタジエノール以外の3種類の化合物をつくる酵素の遺伝子も単離できた。つまり、このステップでは、McCBSなど4種類の酵素が4つの遺伝子により発現し、ククルビタジエノールをはじめとする4種類の化合物(トリテルペンという)をつくっていることになる。

ゴーヤーの苦味成分であるククルビタシン類が生合成される経路。緑字は酵素名。ククルビタジエノール合成酵素(McCBS)のような原子を結合させて環状にする酵素は、環化酵素とよばれる。水酸基(-OH)が付加して修飾されるなどして生合成が進む。ククルビタシン類の化合物は、炭素原子数30のトリテルペンに糖や水酸基が結合しており、こうした化合物はトリテルペノイドサポニンともよばれる。ゴーヤグリコサイド-Aは、ウリ科の中でもゴーヤーにしか含まれていない。 (出所:久城哲夫氏提供資料をもとに筆者作成)


苦味成分の合成過程は、果実よりも葉で進んでいた!

ゴーヤーとその葉。最終的に苦味をもたらす成分は、葉から細い茎を経由して果実まで移動してきているようだ。


 ここで、研究グループはある発見をする。McCBSのmRNA発現レベルを、果実、葉、茎、根などの器官ごとに見てみると、果実よりも葉のほうで高かったのだ。苦味成分のククルビタシン類がつくられるまでのステップのほとんどは葉で進行し、最後の最後に果実の中で苦味成分となることが、その後の研究で分かってきた。

「びっくりしました」と久城氏は驚く。「光合成が葉でされるので、エネルギーに近いところで苦味成分がつくられていくと考えたらよいのか・・・」。

 鈴木氏も「おもしろい結果です」と言う。「ジャガイモのデンプンは葉でできてから糖に分解されて根に移りますが、ゴーヤーでは苦味をもたらす成分の移動が起きていることになります」。

 この発見により、「苦味をつくる成分を葉から果実に移動させる輸送体の正体は何か」という新たな謎が生じた。研究では、この解明も目指そうとしている。

「金平糖解析」で2万7127から一気に19の遺伝子に絞り込む

 苦味成分がつくられるまでの最初のステップはこうして解明された。だが、最終的にククルビタシン類にたどりつくまでには、さらにいくつもの化合物の構造変化のステップがある。その各ステップごとに、また別の酵素がはたらいているはずだ。

 それらの酵素の遺伝子を解明すべく、研究グループは“キラーツール”をより一層、駆使している。それは、鈴木氏らかずさDNA研究所が開発した「金平糖解析」という手法だ。大容量の遺伝子発現データから効率よく遺伝子群を抽出し、それらの関係性を可視化する。

 一例を示そう。ゴーヤーのRNA解析によって得た各遺伝子の発現データと、各器官における成分試料のデータを記したエクセルの表データを用意する。そしてこの表データを「金平糖解析」にかけると、すでに得られている遺伝子発現パターンなどを参考にしながら、コンピュータが類似性の高い遺伝子を順番に示していくのだ。上位に示された遺伝子は、探している酵素の遺伝子である可能性が高い。これにより、特定・単離すべき遺伝子の目星がつく。

「金平糖解析」による遺伝子選抜の結果イメージ。2万7127の遺伝子から19遺伝子が選抜された。「金平糖」は、各遺伝子の相関ネットワークが金平糖のように形づくられることから。大阪府立大学の尾形善之氏との共同研究でトポロジーという幾何学の分野を応用し、解析自動化を実現させた。ソフトウェア名は「Confeito GUI plus」。データ解析は「HiSeq1000」などの装置が行う。ゴーヤーの事例以外に、「味覚と成分データをひもづけられるため食品メーカーに興味を持っていただくなどしています」と鈴木氏。 (画像・写真提供:鈴木秀幸氏)


 実際、研究グループは「金平糖解析」を実行し、2万7127の遺伝子から一挙に19の候補遺伝子まで絞り込むことができた。さらに、そのうちの「シトクロムP450」という酵素群の各遺伝子が、いずれもククルビタシン類の生合成経路に関与していることが分かった。これで、ククルビタシン類にたどりつくまでのステップ全体のうち「4分の3ぐらいはすでに明らかにできたと思います」と久城氏は言う。「残りの部分の解明とともに、輸送のしくみや、熟して甘くなるしくみなどの解明などが今後の課題といえます」。

苦味の制御や、保健・医療分野への応用も

「金平糖解析」などで遺伝情報を網羅的に解析していけば、“ゴーヤーのゴーヤーらしさ”がどうつくられるかが見えてくる。それにより、苦味を抑えたり増やしたりといったゴーヤーの風味の制御も可能となろう。また、ククルビタシン類には抗糖尿病などの健康にプラスとなる作用があることも研究で解明されている。この成分を微生物につくらせるなどして、健康食品や医療に応用するといったことも期待できる。

「遺伝子の機能を見つけることを久城先生をはじめ大学の研究者がしてくれるので、われわれ研究機関は、実用化に向けての橋渡しとなるような基盤研究で期待に応えていきたい」(鈴木氏)

 長い視点で見ると、ゴーヤーは約300年にわたり地域野菜でありつづけ、その後30年ほどで全国化した。いまそこに、科学研究の力が注がれている。こうして、日本のゴーヤーは21世紀の前半、もうひとつ大きな変化を遂げようとしているのだ。

* 記事初出時のジャガイモについての記述に、より説明の必要な箇所がありました。記事では修正済みです。(2019年7月21日)

筆者:漆原 次郎