ケシゲノムの解読に成功：高品質のゲノムアセンブリを使用してゲノムの70.9％を構成する反復要素を克服
科学者は、ケシゲノムのDNA配列を決定し、生薬の製造に使用される薬学的化合物を生産するために植物がどのように進化したかを明らかにした。この発見は、科学者が薬草植物の収量および耐病性を向上させ、鎮痛および緩和ケアのための最も効果的な薬剤の信頼できる安価な供給を確保する道を開くかもしれない。ヨーク大学の研究者たちは、英国のウェルカム・サンガー・インスティテュート、および国際的な協力により、咳抑制薬ノスカピンおよび鎮痛薬モルヒネおよびコデインの生産につながる遺伝的経路の起源を明らかにした。
この研究は2018年8月30日にScienceでオンラインで報告された。 この論文は、「ケシのゲノムとモルフィナン生産（The Opium Poppy Genome and Morphinan Production.）」と題されている。共同執筆者であるヨーク大学の生物学科の新農産物センターのIan Graham教授は「生化学者は植物がどのように進化して地球上で最も豊富な化学物質リソースになったか長年関心があった。高品質のゲノムアセンブリを使用して、我々は、これがケシにおいてどのように起こったかを解明した。同時に、この研究は、途上国において痛みの緩和と緩和ケアのために利用可能な最も有効な鎮痛剤の信頼できる安価な供給が確保されるために分子植物育種ツールの開発の基盤を提供するだろう。」と語った。
ノスカピン、コデイン、およびモルヒネなどの合成化合物を製造するための合成生物学ベースのアプローチが開発されており、植物由来の遺伝子を工業用発酵槽で生産可能にするために酵母などの微生物系に改変されている。しかし、ケシは、これらの製薬化合物の最も安価で唯一の商業的供給源であり続けている。
ゲノム重複
英国のヨーク大学とウェルカムサンガー研究所の科学者は、中国の西安交通大学と上海海洋大学、サン・マニュファクチュアリング・インダストリーズ（オーストラリア）社と協力して、11の染色体にわたって分布している2.7 ギガベースのゲノム配列の高品質なアッセンブリーを作成した。
これにより、研究者は、ノルカピンおよびコデインおよびモルヒネに至る化合物の両方の産生に関与する2つの異なる生合成経路に関与する酵素をコードする15の遺伝子の巨大クラスターを同定することができた。
植物にはゲノムを複製する能力があり、これが起こると、複製された遺伝子が他のことをするために進化する自由度がある。これにより、植物は、有害な微生物や草食動物からの攻撃を防御し、授粉を助けるための蜂など有益な種を引き付けるために使用される多様な化学化合物を作る新しい仕組みを獲得することができた。
進化の歴史
ゲノムアセンブリにより、研究者は、モルヒネおよびコデインへの経路における最初の主要なステップを担うSTORR遺伝子融合を産生するため一緒になった祖先遺伝子を同定することができた。 この融合事象は、780万年前にケシゲノムにおいて比較的最近の全ゲノム重複事象の前に起こった。
共同著者の西安交通大学のKai Ye教授は、「非常に反復した植物ゲノムと、過去1億年の進化的事象が混在しているため、分析が複雑になっている。ケシゲノムの進化の歴史を調べるために、我々は洗練された数学的モデルと分析法を用いて補完的な最先端のゲノム配列決定技術を利用した。一連の重複、シャフリング、および融合構造事象のために、2つの生合成経路が同じゲノム領域に到達し、新規な代謝化合物の共同生産を可能にすることは興味深い。
ウェルカム・サンガー・インスティテュートの共著者のZemin Ning教授は、「さまざまなシークエンシング技術を組み合わせることが、ケシゲノムの高品質アセンブリの作成の鍵だ。 ゲノムサイズがヒトに似ているため、このプロジェクトの主な課題は、ゲノムの70.9％を構成する反復要素を処理することだった。」と述べた。
イメージ
タスマニアに自生しているポピー(Credit: Carol Walker)
【BioQuick News：Scientists Decode Opium Poppy Genome; Combining Variety of High-Quality Sequencing Technologies Enables Researchers to Overcome Obstacle of 71% Repetitive Elements in This Important Genome】
生命科学雑誌バイオクイックニュース: 2024年9月号
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