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| 名前 | |
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| IUPAC名
4-(6-((1E , 3E , 7Z ) -ウンデカ-1,3,7-トリエン-1-イル)ピペリジン-2-イル)ブタン-1-オール
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| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| ケムスパイダー |
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PubChem CID
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CompToxダッシュボード （EPA）
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| プロパティ | |
| C 20 H 35 N O | |
| モル質量 | 305.506 g·mol −1 |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）における材料のものです。
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ユーグレノフィシンは、ミドリムシ属の一種であるユーグレナ・サンギネアから単離された魚毒性化合物である。in vitro試験において抗癌作用および除草作用を示す。[1]
歴史
毒素を産生する淡水藻類は数多く知られており、その中にはユーグレナ目（Euglenophyceae）も含まれる。この藻類は世界中の淡水環境に生息することが分かっている。多くのユーグレナ目は貪食または単純拡散によって栄養を得るため、従属栄養性である。しかし、この藻類の単系統群、すなわちRapaza viridisは混合栄養性であり、光合成、栄養素の吸収、および他の真核生物の取り込みを切り替える。[2]さらに、ユートレプティアル目とミドリムシ目は光合成を行うためにクロロフィルを含んでいるため、独立栄養性である。ユーグレナ目はクロロフィルと補助色素、および/またはアスタキサンチン（カロテノイド）を含んでいることがあり、そのため緑または赤の色をしている。この藻類は比較的古くから発見されていますが、ユーグレナ属の毒素を産生することが明らかになるまでには時間がかかりました。なぜなら、これまでユーグレナ属の毒素が特定された報告はなかったからです。最近の研究によると、ユーグレナ属の藻類のうち少なくとも6種と、ミドリムシ（Euglena sanguinea）の7株のうち6株でユーグレナフィシンが産生されていることが分かっています。[3]他の研究では、ユーグレナフィシンの抗がん剤としての応用可能性に焦点を当てています。
発見
2002年、ノースカロライナ州の養殖施設で2ヶ月間で2万1000匹以上のシマスズキが死にました。同時期に、米国ではさらに12件の有毒藻類ブルームが発生し、多数の魚が死亡しました。これらの事象により、総額110万ドルの損失が発生しました。[4]鰓の組織が赤くなったこと以外、明らかな中毒原因は発見されませんでした。池から採取された水サンプルには、99%以上がミドリムシでした。
2004年、池の水は連続的に分画され、溶存化合物、細菌、藻類の分画に分離され、調査が行われた。その結果、高い死亡率を引き起こした毒素は非タンパク質性で、30℃で10分間加熱しても安定し、-80℃で60日間凍結しても活性を維持することが判明した。ミドリムシの細胞を単離し、光学顕微鏡による分析により、ミドリムシ属がEuglena Sanguineaであることが確認され、毒素はユーグレノフィシンであることが確認された。[5]
識別
E. sanguineaは、「特異な色素胞系」と表現される複雑な葉緑体形態を有するため、顕微鏡的手法による同定は依然として困難である。そのため、種の同定には分子データに基づく手法を用いる必要がある。[6]
2013年には、淡水域中のユーグレノフィシンの同定と定量を行うためのMS/MS分析法が開発されました。この分析の実験基準を作成するため、ノースカロライナ州とテキサス州で発生した死亡事例から分離されたE. sanguineaのクローン培養物から、高速液体クロマトグラフィー（HPLC）によってユーグレノフィシンが精製されました。 [4]図1Aは精製ユーグレノフィシン（500 ng）の質量分析結果を示し、図1BはE. Sanguineaの培養物から抽出したユーグレノフィシンの質量分析結果を示しています。[7]
ユーグレノフィシンの特異的検出のために、多重反応モニタリング（MRM）法が開発された。この法は、m/z 288.3からm/z 97.2、110.2、136.2への3つの遷移に基づいている。これらの3つの遷移のうち、最も強いプロダクトイオンであるm/z 110.2が定量イオンとして選択された。図1Cと1Dは、1 ngのユーグレノフィシンの検出結果を示している。[7]
淡水池をモニタリングするもう一つの方法は、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）検査です。2017年には、この検査が改良され、E. sanguineaのブルームが生息する水域でユーグレノフィシンを特異的に検出できるようになりました。これは、この藻類に見られる非常に長いSSU rDNA配列に基づいて行われました。[6]ネステッドPCRを用いることで、予期せぬプライマー結合部位の増幅による非特異的結合を低減できます。この検査の特異性は、E. Sanguineaに近縁の種を用いたPCR結果によって実証されました。これらの試験では産物は観察されませんでした。さらに、ヌクレオチド配列から追加情報を取得できるため、サンプルの検査、分類、比較が可能になります。
PCR 検査は質量分析法と組み合わせることで、 E. sanguineaの有毒なブルームが発生する淡水の監視とリスク評価を容易にします。
構造と反応性
ユーグレノフィシンは、 6位にブタノール側鎖、2位に(1E,3E,7Z)-ウンデカ-1,3,7-トリエン側鎖を持つピペリジン環から構成される二置換ピペリジンである。2位の側鎖は共役系であり、238 nmで吸光する。ピペリジン環の2位と6位はどちらもキラル中心であるため、その組み合わせによって化合物のシス/トランス立体異性が決定される。抽出後のNMR分析によると、ユーグレノフィシンの大部分は、2位と6位に関してシス配座にある。[4]しかし、絶対的なシス/トランス立体異性は未だ解明されていない。さらに、各二重結合は E/Z 立体異性の中心であり、シス/トランス立体異性と組み合わせると、合計 12 個の立体異性体が生じます (理論上)。
窒素原子と酸素原子は水素結合を形成できますが、この化合物は水に不溶性で有機溶媒中で非常に安定しており、これはin silicoで予測されたlog(p)値約5.6と一致しています。注目すべきことに、ブタノール側鎖を除くユーグレノフィシンの構造は、ヒアリ毒の主成分であるソレノプシンと非常に類似しています。したがって、これらの化合物の合成経路、反応性、化学的性質、毒性も類似している可能性があります。ソレノプシンの抗がん剤としての有効性は、ユーグレノフィシンの類似薬としての可能性を研究者に研究させるきっかけとなりました。「作用機序」のセクションでは、この点についてさらに詳しく説明しています。
生合成
ユーグレノフィシンは、ポリケチド合成酵素（PKS）と呼ばれる酵素によって生成される可能性が非常に高く、この酵素はユーグレナ類やポリケチドを生成する他の藻類に広く見られます。[2] [1]
構造類似性に基づく生合成経路の推定
ミドリムシがユーグレノフィシンを生成するメカニズムはまだ解明されていません。しかし、ユーグレノフィシンは他の多くの天然化合物と構造的に類似しているため、この経路について推定を行うことは可能です。ただし、これらの推定は科学的に証明されていないため、慎重に扱う必要があります。
ヒアリが産生するソレノプシンはユーグレノフィシンと高い構造的類似性を示すが、これらの毒素の合成経路も同様であるかどうかは不明である。この経路の収束進化が起こった場合には、同様の結果になる可能性がある。[4]
興味深いことに、Jeanne N. Tawaraら（1993）は、マツ（Pinus）とトウヒ（Picea）の木から、ユーグレノフィシンと構造が類似し、同様にポリケチド起源である毒性アルカロイドピペリジンを調査した（図2）。[8]
側鎖と起源を除く両構造の顕著な類似性から、藻類と樹木の進化的関係を考慮すると、これらの化合物の合成経路はユーグレノフィシンの合成経路と関連している可能性が高い。[9]同じことが「ソクラテス殺し」としても知られるコニインにも当てはまり、コニインはユーグレノフィシンにさらに類似していると思われる別の化合物であり、ハンヌ・ホッティとハイコ・リッシャーによって研究されている（図3）。[10]
ユーグレノフィシン類似化合物群の研究者らは、その合成経路の解明に取り組んできました。両研究者チームが提唱する合成経路は大きく重複しており、互いに補完し合っていると考えられます。まず、酢酸がコエンザイムAと共役してアセチルCoAを形成することが提唱されています。これはその後、ブチリルCoAとマロニルCoAに変換されますが、前者は脂肪酸合成酵素（FAS）によって触媒されます。次に、ポリケチド合成酵素がこれら2つの化合物を結合させてポリケチド中間体を形成しますが、その正確な構造はまだ確認されていません（図3）。この中間体はケト酸に還元され、さらにケトアルデヒドへと変換されます。その後、L-アラニンアミノトランスフェラーゼ（AAT）がケトアミン化合物に変換し、これが自発的に環化してγ-コニセインと呼ばれる置換ピペリジン化合物へと還元されます（図4）。
他の酵素がこれらのピペリジンに様々な側鎖を付加する触媒作用を及ぼし、様々なピペリジン系化合物が生成されると考えられます（図4）。マツ毒とトウヒ毒の研究者らは、ポリケチド中間体の構造を提唱し、環化後にピペリジンの側鎖が修飾されることを確認しています。これらの合成経路は研究によって100%の確度で確認されていませんが、ミドリムシ科植物も同様のメカニズムを用いてユーグレノフィシンを産生すると推定されています。
毒性
ユーグレノフィシンが特定される以前、研究者たちは、E. sanguineaの細胞に曝露された魚が、見当識障害、呼吸数の増加、バランス維持能力の低下などの症状を示すことを観察していました。これらの魚の鰓組織は赤くなっていましたが、出血は見られませんでした。[5]これらの症状に伴う行動変化に基づき、アメリカの研究者たちは、この毒素が神経毒として機能することを示唆しました。[5]
ジンバら（2004）は、藻類画分を投与された未成熟ナマズを、曝露後2時間以内に死亡させた。[5]その後、ジンバら（2009）は、精製されたユーグレノフィシンを投与されたナマズが曝露後30分以内に死亡した際に、同様の死亡率を確認した。[4]
ユーグレノフィシンは少なくとも6種のミドリムシ科魚類にも産生されていますが、E. sanguineaは養殖業、ひいては経済にとって重大な問題を引き起こす唯一の種であると考えられます。これは、 E. sanguineaがはるかに高密度の有毒ブルームを形成するためです。 [11]
Zimbaら（2009）は、5種の藻類（Oocystis polymorpha、Gonphonema parvulum、Microcystis aeruginosa、Planktothrix PCC7811、Scenedesmus dimorphus ）に対するユーグレノフィシンの毒性を調査しました。ユーグレノフィシンは5種全ての成長を阻害し、いずれの場合も濃度300ppb未満で顕著な阻害が認められました。[4]
作用機序
ユーグレノフィシンの合成はまだ完全には解明されていないものの、培養されたミドリムシは成長状態に関係なくユーグレノフィシンを産生することが実験で示されました。これは、ユーグレノフィシンが藻類の防御機構の一部であることを示唆している可能性があります。[4]
ユーグレノフィシンはごく最近発見されたため、正確な作用機序は未だ解明されていません。しかしながら、ユーグレノフィシンはソレノプシンと構造的に非常に類似しています。ソレノプシンはヒアリ毒に含まれており、その作用機序はより深く研究されています。ユーグレノフィシンとソレノプシンの作用機序も類似していると予想されます。
ソレノプシンとその作用機序に関する研究は、ユーグレノフィシンの作用機序に関する最初の重要な示唆です。in vitro試験では、ソレノプシンが哺乳類細胞におけるmTOR経路の一部であるPI3K/AKTに阻害作用を示すことが示されました。この経路は、細胞の成長、増殖、細胞の生存、タンパク質合成、細胞運動、オートファジーなど、様々な細胞プロセスに利用されています。[12]
最近の研究では、ユーグレノフィシンに優れた抗がん作用があることが示されています。これは、mTOR経路が過剰に活性化されるとがん細胞を刺激する上で大きな影響を与えることが知られているため、mTOR経路を阻害することで実現すると考えられます。ソレノプシンとユーグレノフィシンはどちらもPi3Kタンパク質を阻害することが知られています。Pi3KはAKTをリン酸化することで活性化し、その下流に様々な作用をもたらします。mTOR経路を活性化し、代謝調節に関与し、細胞周期阻害因子を制御します。増殖を促進し、アポトーシスを抑制します。多くの種類のがんにおいて過剰に活性化しますが、この経路は成体（多くの場合神経系）幹細胞の増殖と分化を促進するために不可欠です。[4]
実験では、ユーグレノフィシンには抗血管新生作用も認められています。ユーグレノフィシンはVEGF（血管内皮増殖因子）の働きを阻害し、増殖中の腫瘍に酸素と栄養を供給するための新しい血管の形成を阻害します。腫瘍が増殖し始めると、より多くの酸素と栄養が必要になります。これらの供給を遮断することで、腫瘍が増殖して体の他の部位に転移するのを防ぐことができます。[13]
Cabangら（2017）は、ユーグレノフィシンの抗増殖作用は、細胞をG1期細胞周期停止状態に誘導する能力によって誘導されると報告している。[14]細胞周期停止は、細胞周期中の細胞にエラーがないか検査され、エラーが見つかった場合に起こる。細胞は完璧に複製される必要があり、そうでない場合、細胞周期は停止し、細胞は複製されない。これは、健康な人において機能不全の細胞が増殖するのを防ぐためである。
参考文献
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