우산이끼 유래의 불포화 지방산 합성효소 유전자 및 그이용 document_id A220623042794

아라키돈산, 에이코사펜타엔산(이하, 적절히 「EPA」로 약기) 등의 다중 불포화 지방산(Polyunsaturated fatty acid;PUFA)은, 사람에 있어서 신경계를 중심으로 한 세포막 지질에 다량 포함되어 있다. 이들 다중 불포화 지방산은 프로스타글란딘이나 류코트리엔과 같은 생리 활성 물질의 전구체로서 작용하고 있어, 약리학적으로 매우 중요하다. 최근에는, 아라키돈산이나 EPA를 포함하는 건강 식품도 판매되고 있다. 또한, 지방산은 세제나 생분해성 플라스틱의 원료로도 되기 때문에, 소재로서도 주목받고 있다. 다중 불포화 지방산은, 현재, 배양 미생물 또는 어유(魚油)로부터의 추출에 의해 생산되고 있다. 이 때문에, 생산 비용이 높은 점, 에너지 사용량·폐기물량이 많아지는 점, 특히 어유로부터 조제하는 방법에서는, 어자원이 한정되어 있는 점이 문제가 되고 있다. 아라키돈산 및 EPA는, 각각 리놀레산 및 α-리놀렌산을 기점으로 하여, Δ6 불포화화, 지방산 쇄장 연장 및 Δ5 불포화화의 3개의 연속된 반응에 의해 생합성된다고 생각되고 있다. 이러한 반응은, 각각, Δ6 지방산 불포화화 효소(이하, 「Δ6 불포화화 효소」라고 약기), Δ6 지방산 쇄장 연장효소(이하, 「Δ6 쇄장 연장효소」라고 약기) 및 Δ5 지방산 불포화화 효소(이하, 「Δ5 불포화화 효소」라고 약기)에 의해 촉매된다. Δ6 불포화화 효소의 유전자는 몇 개의 식물종에서 클론화되고 있다. 예를 들면, 규조(Phaeodactylum tricornutum), 피스코미트렐라(Physcomitrella patens), 세라토돈 푸르푸레우스(ceratodon purpureus), 보리지(borage), 지치(lithospermum erythrorhizon), 큰앵초(primrose) 및 아네모네(anemone)로부터 Δ6 불포화화 효소의 유전자가 클론화되고 있다. 또한, 식물 이외에는 사상균(filamentous fungi), 선충(nematodes), 시아노박테리아(cyanobacteria), 래트 및 사람으로부터 Δ6 불포화화 효소 유전자가 클론화되고 있다(비특허 문헌 1: 「Eur. J. Biochem. 269, p4105, 2002」, 비특허 문헌 2: 「Plant J. 15, p39, 1998」, 비특허 문헌 3: 「Eur. J. Biochem., 267. p3801, 2000」, 비특허 문헌 4: 「Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, p4211, 1997」, 비특허 문헌 5: 「Lipids 37, 417, 2002」, 비특허 문헌 6: 「FEBS Lett. 542, p100, 2003」, 비특허 문헌 7: 「Whitney et al., Planta Epub 2003」, 비특허 문헌 8: 「Lipids 34, p649, 1999」, 비특허 문헌 9: 「Gene, 238, p445 1999」, 비특허 문헌 10: 「Biochem J. 330, p611 1998」, 비특허 문헌 11: 「Plant Mol. Biol., 22, p293 1993」, 비특허 문헌 12: 「Biochem. Biophys. res. Commun. 255, p575, 1999」, 비특허 문헌 13: 「J. Biol. Chem. 274, p471, 1999」 참조). 또한, 시아노박테리아에서 얻은 것을 제외하고, 이들 Δ6 불포화화 효소는 모두 N 말단에 시토크롬 b5 도메인이 존재한다. Δ6 쇄장 연장효소의 유전자는, 최초로 사상균 및 선충으로부터 클론화되었다(비특허 문헌 14: 「Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, p8284, 2000」, 비특허 문헌 15: 「Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, p6421, 2000」 참조). 식물종에서는, 유일하게 피스코미트렐라로부터 클론화되어 있다(비특허 문헌 16: 「Plant J. 31, p255, 2002」 참조). 효모(Saccharomyces cerevisiae)에는, 스핑고지질(sphingolipids)의 장쇄 포화 아실쇄 합성에 관여하는 ELO2 단백질 및 ELO3 단백질이 존재하고(비특허 문헌 17: 「J. Biol. Chem., 272, p17376, 1997」 참조), Δ6 쇄장 연장효소의 아미노산 서열은 이것들과 상동성(相同性)을 나타낸다. 한편, 식물에는, 또 다른 타입의 지방산 쇄장 연장효소인 β-케토아실 CoA 합성효소(KCS)가 존재한다. 이 효소는, 장쇄(長鎖) 포화/일가 불포화 지방산의 쇄장(鎖長) 연장을 촉매한다(비특허 문헌 15 및 비특허 문헌 18: 「Plant Cell 7, p309, 1995」 참조). 그러나, Δ6 쇄장 연장효소 유전자 및 효모 ELO2/ELO3 유전자는, KCS 유전자와의 직접적인 진화상의 관계는 보여지지 않는다(비특허 문헌 15 및 16 참조). Δ5 불포화화 효소의 유전자는, 사상균으로부터 처음으로 클론화되었다(비특허 문헌 19: 「J. Biol. Chem. 273, p29360, 1998」, 비특허 문헌 20: 「J. Biol. Chem. 273, p19055」 참조). Δ5 불포화화 효소의 구조는 Δ6 불포화화 효소와 공통되고 있으며, N 말단에 시토크롬 b5 도메인을 갖는다. Δ5 불포화화 효소 유전자는, 규조, 선충, 래트, 사람, 피스코미트렐라 등으로부터 클론화되고 있다(비특허 문헌 1, 비특허 문헌 21: 「FEBS Lett. 439, p215, 1998」, 비특허 문헌 22: 「Arch. Biochem. Biophys. 391, p8, 2001」, 비특허 문헌 23: 「J. Biol. Chem. 274, p37335, 1999」, 비특허 문헌 24: 「J. Biol. Chem. 278, 35115, 2003」 참조). 육상 식물은 선태 식물(선태 식물문(Bryophyta)), 양치 식물, 겉씨 식물 및 속씨 식물로 구성되어 있다. 선태 식물은 육상 식물 중에서 가장 오래전에 분기한 군으로서, 선류(선류강(Bryosida)), 태류(태류강(Hepaticopsida)) 및 뿔이끼류(Hornwortz)의 3개 그룹으로 구성되어 있다. 우산이끼는, 상기 생물 중 피스코미트렐라와 분류상 가장 가깝지만, 피스코미트렐라는 선류에 속하고 우산이끼는 태류강 중의 우산이끼아강(Marchantiidae)에 속하고 있다. 상기 3개의 그룹은, 약 4억 3천년 전에 이미 분기되어 있었던 것이 확실하다. 따라서, 같은 선태라고 해도, 피스코미트렐라와 우산이끼는, 예를 들면 2억년 전에 분화한 아라비돕시스 탈리아나(Arabidopsis thaliana)와 벼의 차이 정도가 아니라, 진화 상 크게 상이하다(비특허 문헌 25: 「http://www.nibb.ac.jp/～mhasebe/Physcomitrella.htm」 참조). 우산이끼 유래의 다중 불포화 지방산 합성 효소 유전자로서는, 상기한 KCS 유사 쇄장 연장효소 유전자인 MpFAE2 및 MpFAE3이 취득되어 있다(비특허 문헌 26: 「Biosci. Biotechnol. Biochem. 67, p605, 2003」, 비특허 문헌 27: 「Biosci. Biotechnol. Biochem. 67, p1667, 2003」 참조). 그러나, MpFAE2 및 MpFAE3은 Δ6 쇄장 연장효소 유전자는 아니다. 전술한 바와 같이, 많은 다중 불포화 지방산 합성 효소 유전자가 여러 가지 생물종으로부터 클론화되어 있지만, 아라키돈산, EPA 등의, C20 이상이고 불포화도 4 이상인 다중 불포화 지방산을 식물 내에서 생산시킨 예는 적다. 이러한 예로서, 규조 유래의 Δ6 불포화화 효소 유전자 및 Δ5 불포화화 효소 유전자와, 피스코미트렐라 유래의 Δ6 쇄장 연장효소 유전자를 아마(Linum usitatissimum)에서 발현시켜, 아라키돈산 및 EPA를 생산시킨 보고가 있지만, 그 상세는 불명하다(비특허 문헌 24 참조). 전술한 바와 같이, 아라키돈산이나 EPA 등의 다중 불포화 지방산의 생산은, 배양 미생물 또는 어유로부터의 추출에 의해 생산되고 있기 때문에, 생산 비용이 높은 점, 에너지 사용량·폐기물량이 많아지는 점, 어자원이 한정되어 있는 점 등의 문제점을 갖고 있다. 아라키돈산이나 EPA 등의 다중 불포화 지방산은, 분자 내에 이중 결합을 복수 갖는 독특한 물성을 갖고 있기 때문에, 여러 가지 공업 용도(예를 들면 필름, 생분해성 플라스틱, 기능성 섬유, 윤활유, 세제의 소재 등)에도 이용 가능해진다. 이와 같은 다중 불포화 지방산을 유전자 변형 식물에 의해 생산함으로써, 생산 비용을 저감할 수 있음과 동시에 보다 친환경 생산 프로세스를 실현할 수 있을 것으로 기대된다. 유전자 변형 기술을 이용하여, 이들 다중 불포화 지방산을 유량(油糧) 식물에서 대량 생산할 수 있게 되면, 염가의 다목적 원료로서 매우 유용하다. 한편, 식물에 이종 생물의 유전자를 발현시키는 경우, 그 유전자가 식물 내에서 어느 정도 양호하게 기능할지는, 전사(transcription), 번역(translation), 그 후의 변형(modification) 등의 과정이 있기 때문에, 예상하기 어렵다. 특히, 복수의 이종 생물의 유전자를 발현시키는 경우, 상기 비특허 문헌 24와 같이 상이한 생물종 유래의 복수의 유전자를 발현시키는 것보다, 동일종에 유래하는 복수의 유전자를 발현시키는 편이 식물 내에서 양호하게 기능할 것으로 예상된다. 또한, 최초의 육상 식물인 선태류의 우산이끼는 고등 식물의 모델계로서 주목받고 있어, 그 유전자는 식물 내에서 양호하게 기능할 것으로 기대된다. 따라서, 우산이끼 유래의 다중 불포화 지방산 합성효소 유전자, 즉 Δ5 불포화화 효소 유전자, Δ6 불포화화 효소 유전자 및 Δ6 쇄장 연장효소 유전자를 취득할 수 있다면, 이들 유전자를 식물에 도입함으로써, 아라키돈산이나 EPA가 식물 내에서 효율적으로 축적될 것으로 기대된다. 또한, 우산이끼와 같은 선태 식물인 피스코미트렐라로부터는 Δ5 불포화화 효소 유전자, Δ6 불포화화 효소 유전자 및 Δ6 쇄장 연장효소 유전자가 클론화되어 있지만, 우산이끼와 피스코미트렐라는 진화 상 크게 상이하여, 피스코미트렐라의 유전자에 기초하여 우산이끼의 유전자를 취득하는 것은, 현재의 기술 수준을 가지고 용이하게 할 수 있는 것은 아니다.