¹³名LC-MSに関連するC₆-グルコース標識:二次代謝物合成における植物一次器官の同定

植物における二次代謝産物の生合成経路は複雑で多様であり、非常に特異的で多様な蓄積器官が関与しています¹。現在、多くの薬用植物における二次代謝産物の特異的な合成部位と責任のある器官は明確に定義されていません。この曖昧さは、医薬品の収量と品質の両方を最適化するように設計された栽培方法の戦略的な進歩と実施に大きな障害をもたらします。

分子生物学、生化学的、および同位体標識技術は、薬用植物^2,3,4,5の二次代謝産物の合成経路と部位を解明するために広く採用されており、これらの方法論のそれぞれは、効率や精度の違いなど、独自の長所と限界を示しています。例えば、分子生物学的アプローチは、生合成経路内の部位を高い精度で特定することができますが、特に時間がかかります。その有用性は、一般に利用可能なゲノム配列を持たない種にとってさらに制約され、これらの技術はそのような場合には実行可能性が低くなる⁶。対照的に、³C/¹²C、²H/¹H、^および18O/¹⁶Oのような同位体比を用いた同位体標識技術は、二次代謝産物の合成、輸送、および貯蔵メカニズムを調査するための迅速でアクセス可能な手段を提供する^7,8。それらは、葉中の有機化合物と安定同位体の空間分布を明らかにすることができ、それによって葉がライフサイクル9を通じて経験する環境条件の再構築^{を可能にします。}さらに、¹³C₆-グルコース¹⁰や¹³C₆-フェニルアラニン¹¹などの外部同位体標識の適用により、炭素標識二次代謝産物の生成が可能になり、その産生と機能についての理解が深まります。

従来の炭素同位体標識技術は、その生合成経路と輸送メカニズムの種特異的な性質により、二次代謝産物の合成に関与する特定の器官を特定するという課題に直面しています。液体クロマトグラフィー質量分析(LC-MS)は、この分野で極めて重要な分析装置として注目を集めており、薬物の化学合成における外因性同位体を追跡し、吸収、分布、代謝、排泄などのin vivoプロセスを調査するための堅牢な方法を提供しています¹²。LC-MSの優れた感度、率直性、信頼性は、プラント¹³における二次代謝産物の産生をモニタリングするための理想的な選択肢となっています。近年、LC-MSは、異なるサンプル間での標識効率の評価を可能にする外部同位体標識技術への応用でますます好まれるようになっています。この方法論は、薬用植物における二次代謝産物の合成に関与する主要な器官に関する重要な洞察を提供し、これらの化合物の合成器官を同定するための生物学的方法^14,15を非常に補完する役割を果たします。したがって、このアプローチは、さまざまな標本間の標識効率の比較を容易にするだけでなく、植物の二次代謝産物の生成に関与する主要な器官に光を当て、それによってそれらの生合成の理解を深めます。

私たちは、炭素同位体標識とLC-MS検出を組み合わせて、薬用植物の二次代謝産物の合成に関与する主要な器官を特定する新しい方法を導入しました。パリサポニン(PS)は、抗がん作用、免疫調節作用、抗炎症作用など様々な薬理作用を有し¹⁶、PPYの需要は高まっている¹⁷。そこで、PPY苗を研究対象とし、LC-MS法に伴う¹³C_6-Glucose標識を用いて、葉がパリサポニンVII(PS VII)(図1B)を合成する主要な器官であることを解読しました。私たちのアプローチには、葉、根茎、および茎-血管束への¹³C₆-グルコースの供給と、非摂食制御を含む4つの異なる治療が含まれていました。¹³C₆-グルコースの選択は、呼吸を介して迅速にアセチル補酵素Aに代謝され、PS合成を促進するため、戦略的です。¹³Cの自然の存在量を利用して、Gas Chromatography-Stable Isotope Ratio Mass Spectrometer(GC-IRMS)システムを利用して、さまざまな植物器官にわたる¹³C/¹²C比を評価し、PS VIIおよびParis saponins II(PS II)(図1B)分子の同位体イオンピーク比を分析しました。当社の方法論は、¹³種類のC標識植物二次代謝物前駆体と最先端の質量分析技術を活用しており、従来の炭素同位体標識法に代わる、よりシンプルで正確な方法を提供します。この新しいアプローチは、薬用植物の二次代謝産物合成に関与する器官の理解を深めるだけでなく、これらの化合物の生合成経路を将来探求するための強固な基盤を築くものです。