シアノトキシン

シアノトキシンは、シアノバクテリア（藍藻類とも呼ばれる）によって生成される毒素です。シアノバクテリアはほぼどこにでも見られますが、特に湖や海では、リン濃度の高い状況下では指数関数的に増殖し、大量発生を起こします。大量発生したシアノバクテリアは、動物や人間を中毒させ、死に至らしめるほどの濃度のシアノトキシンを生成する可能性があります。シアノトキシンは、魚や貝などの他の動物にも蓄積し、貝中毒などの中毒を引き起こす可能性があります。

最も強力な天然毒として知られているのがシアノトキシンです。これらには強力な神経毒、肝毒、細胞毒、エンドトキシンが含まれます。シアノバクテリアの「シアノ」はその色を指し、シアン化物との関係を指しているわけではありませんが、シアノバクテリアは窒素固定中にシアン化水素を分解する ことができます。^[1]

シアノバクテリアにさらされると、胃腸障害や花粉症の症状、または皮膚のかゆみを伴う発疹を引き起こす可能性があります。 ^[2]シアノバクテリアの神経毒BMAAへの曝露は、筋萎縮性側索硬化症(ALS)、パーキンソン病、アルツハイマー病などの神経変性疾患の環境的原因である可能性があります。^{[3]また、シアノトキシンなどの生物学的}神経毒 の軍事的可能性にも関心があり、「兵器化の候補としての重要性が高まっています。」^[4]

藍藻類またはシアノバクテリアが致命的な影響を及ぼす可能性があるという最初の報告は、 1878年にネイチャー誌に掲載されました。ジョージ・フランシスは、オーストラリアのマレー川の河口で観察した藻類の大量発生を「緑色の油絵の具のような、厚さ2～6インチの濃いスカム」と表現しました。その水を飲んだ野生動物は急速に、そしてひどい状態で死にました。^[5]微細藻類毒素による中毒の報告のほとんどは淡水環境で発生しており、より一般的かつ広範囲に広がっています。たとえば、米国中西部では何千羽ものアヒルやガチョウが汚染された水を飲んで死にました。^[6] 2010年には、初めて海洋哺乳類がシアノトキシンを摂取して死亡したことが報告されました。^[7]

シアノバクテリアは生態学的に、海洋と淡水の両方の生息地で最も繁殖力のある光合成性 原核生物のグループの一つです。シアノバクテリアの有益な側面と有害な側面はどちらも非常に重要な意味を持っています。シアノバクテリアは重要な一次生産者であると同時に、シアノトキシンとして知られる一連の有毒化合物を含むいくつかの二次生成物の膨大な供給源でもあります。人為的な富栄養化と地球規模の気候変動の増加により、淡水、河口、沿岸生態系でシアノバクテリアが大量に増殖し、有害なブルーム形成と表層水汚染に対する深刻な懸念が生じています。^[8]

シアノバクテリアは光合成性原核生物 の中で最も原始的なグループと考えられており^[9]、地球上に出現したのは約 35 億年前と考えられています^[10] 。シアノバクテリアは自然界に遍在し、砂漠から温泉、氷のように冷たい水に至るまで、さまざまな生態学的ニッチで繁栄しています。シアノバクテリアは、食品、医薬品、化粧品、農業、エネルギー分野で応用されているいくつかの二次天然物の膨大な供給源です^[11] 。さらに、シアノバクテリアのいくつかの種は活発に成長し、特定の生態系でバイオマスと生産性の点で優勢な微生物群を形成します。特定のシアノバクテリアの過剰な成長によるブルーム形成とそれに続く毒性化合物の生成は、世界中の多くの富栄養化から過栄養化の湖、池、川で報告されています^{[12] [8] 。}

淡水および海洋生態系に生息するシアノバクテリアからは、シアノトキシンと呼ばれるさまざまな毒性二次化合物の発生が報告されています。これらの毒性化合物は、いくつかの水生生物、野生動物や家畜、そして人間の生存に非常に有害です。有毒な藻類が大量発生する生態系に生息する植物や動物、植物プランクトンや動物プランクトンは、さまざまなシアノトキシンの有害な影響に直接さらされています。野生動物や家畜、人間に起こる中毒は、毒素を産生するシアノバクテリアの細胞を直接摂取するか、シアノトキシンに汚染された飲料水を摂取することが原因です。^[12]さまざまなシアノトキシンの毒性は、シアノバクテリアの増殖と毒素産生の程度に正比例します。さまざまなシアノバクテリアの成長とその毒素の生合成は、光の強度、温度、短波長放射線、pH、栄養素などのさまざまな非生物的要因に大きく影響されることが示されています。^{[13] [14] [12]}地球温暖化と温度勾配は種の構成を大きく変え、有毒な植物プランクトンの大量発生を促進する可能性があります。^{[15] [16] [8]}

シアノトキシンは化学的防御機構において重要な役割を果たし、シアノバクテリアに他の微生物よりも生存上の利点を与えたり、より高次の栄養段階による捕食を阻止したりすると考えられている。^{[17] [18]シアノトキシンは}化学シグナル伝達にも関与している可能性がある。^[8]

シアノトキシンは、光合成によってエネルギーを得る細菌門であるシアノバクテリアによって生産される。接頭辞の「シアン」は、ギリシャ語の「濃い青色の物質」を意味するκύανoςに由来し、 ^[19]通常はスペクトルの青/緑色の範囲にあるいくつかの色のいずれかを示す。シアノバクテリアは一般に藍藻類と呼ばれる。伝統的に、それらは藻類の一種であると考えられており、古い教科書でもそのように紹介されていた。しかし、現代の情報源はこれを時代遅れとみなす傾向があり、^[20]現在ではそれらは細菌に近いと考えられており、^[21]真性藻類という用語は真核生物に限定されている。^[22]真性藻類と同様に、シアノバクテリアは光合成を行い、光合成色素を含んでいるため、通常は緑色または青色をしている。

シアノバクテリアは、海、湖、川、そして陸上のほぼあらゆる場所に生息しています。北極や南極の湖、^{[23] 、}温泉^[24]、廃水処理施設^[25]で繁殖しています。シアノバクテリアはホッキョクグマの毛皮にも生息しており、毛皮に緑色の色合いを与えています。^[26]シアノバクテリアは強力な毒素を生成しますが、抗腫瘍、抗ウイルス、抗がん、抗生物質、抗真菌作用、紫外線保護剤、特定の酵素阻害剤などの有益な生物活性化合物も生成します。^{[27] [28]}

シアノトキシンは、一般に赤潮または有害な藻類ブルームと呼ばれる現象にしばしば関与している。湖や海には、植物プランクトンと呼ばれる単細胞生物が多数生息している。特定の条件下、特に栄養分濃度が高い場合、これらの生物は指数関数的に増殖する。その結果生じる植物プランクトンの密集した群れは藻類ブルームと呼ばれ、数百平方キロメートルを覆うこともあり、衛星画像で簡単に見ることができる。個々の植物プランクトンは数日以上生きることはめったにないが、ブルームは数週間続くことがある。^{[29] [30]}

これらの藻類ブルームの中には無害なものもあるが、有害藻類ブルーム（HAB）のカテゴリーに分類されるものもある。HABには毒素や病原体が含まれており、魚の死につながるだけでなく、人間にとっても致命的となる可能性がある。^{[30]海洋環境では、HABは主に}渦鞭毛藻によって引き起こされるが、^[31]他の藻類分類群の種もHABを引き起こす可能性がある（珪藻類、鞭毛藻類、ハプト藻類、ラフィド藻類）。^[32]海洋の渦鞭毛藻類種は有毒であることが多いが、淡水種が有毒であることは知られていない。珪藻類も、少なくとも人間にとっては有毒であることが知られている。^[33]

淡水生態系では、藻類の大量発生は、高レベルの栄養素（富栄養化）によって最も一般的に引き起こされます。藻類の大量発生は、水面に浮かぶ泡、スカム、マット、または絵の具のように見えますが、常に目に見えるとは限りません。藻類の大量発生は常に緑色というわけではなく、青色の場合もあります。また、一部のシアノバクテリア種は赤茶色をしています。藻類の大量発生でシアノバクテリアが死ぬと、水が悪臭を放つことがあります。^[30]

シアノバクテリアの大量発生により、視界は1～2センチメートルに低下する。視覚に依存しない種（シアノバクテリア自体など）は生き残るが、餌やパートナーを見つけるために視覚を必要とする種は危険にさらされる。日中は、大量発生したシアノバクテリアが水中を酸素で飽和させる。夜間は、呼吸する水生生物が酸素を枯渇させ、特定の魚などの敏感な種が死ぬことがある。これは、海底やサーモクライン付近で起こりやすい。大量発生中は水の酸性度も毎日変化し、日中はpHが9以上に達し、夜間は低い値に低下するため、生態系にさらなるストレスがかかる。さらに、多くのシアノバクテリア種は強力なシアノトキシンを産生し、大量発生中に濃縮されると、近くの水生生物や、鳥、家畜、ペット、時には人間など、大量発生と直接接触する他の動物にとって致命的となる。^[33]

1991年、オーストラリアのダーリング・バーウォン川の1,000kmにわたって有害なシアノバクテリアの大発生が発生し^[34]、 1,000万オーストラリアドルの経済的損失が発生しました^{[35] 。}

シアノトキシンは通常、神経系（神経毒）、肝臓（肝毒）、皮膚（皮膚毒）を標的とします。^[28]シアノトキシンの化学構造は、環状ペプチド、アルカロイド、リポ多糖類（エンドトキシン）の3つの大きなグループに分類されます。^[36]

ほとんどのシアノトキシンには多くの変異体（類似体）があります。1999年時点で、合計84種類以上のシアノトキシンが知られており、そのうち十分に研究されているのはごくわずかです。^[28]

ペプチドは、ペプチド結合によってつながれたアミノ酸の短いポリマーです。タンパク質と同じ化学構造を持ちますが、より短いです。環状ペプチドでは、末端が結合して安定した環状鎖を形成します。哺乳類では、この安定性により消化プロセスに抵抗性があり、肝臓に蓄積する可能性があります。シアノトキシンの中で、環状ペプチドは人間の健康に最も懸念されています。ミクロシスチンとノジュラリンは肝臓を毒し、高用量にさらされると死に至る可能性があります。長期間にわたって飲料水中で低用量にさらされると、肝臓やその他の腫瘍を促進する可能性があります。^[36]

他のシアノトキシンと同様に、ミクロシスチンは、それを産生することが発見された最初の生物、ミクロシスティス・アエルギノーサにちなんで命名されました。しかし、後に他のシアノバクテリア属もミクロシスチンを産生することが分かりました。^[36]ミクロシスチンには約60種の変異体が知られており、そのうちのいくつかはブルーム中に産生されます。最も多く報告されている変異体はミクロシスチン-LRですが、これはおそらく、市販されている最も古い化学標準分析がミク​​ロシスチン-LRのものだったためでしょう。^[36]

ミクロシスチンを含む藻類の大量発生は、淡水生態系において世界中で問題となっている。^[37]ミクロシスチンは環状ペプチドであり、植物や動物、そして人間に対して非常に有毒である可能性がある。魚の肝臓、ムール貝の肝膵臓、動物プランクトンに蓄積する。それらは肝毒性があり、人間の肝臓に深刻な損傷を引き起こす可能性がある。^[36]このように、それらはノジュラリン（下記）と類似しており、ミクロシスチンとノジュラリンを合わせると、淡水および汽水域における有毒なシアノバクテリアの大量発生のほとんどを占める。^[28] 2010年には、数頭のラッコがミクロシスチンによって中毒になった。肝臓毒性のある貝類の中毒の原因は、海洋二枚貝である可能性が高い。これは、シアノトキシンを摂取して死亡した海洋哺乳類の最初の確認例であった。^[7]

最初に同定されたノジュラリン変異体は、シアノバクテリアNodularia spumigenaによって生成されるノジュラリン-Rでした。^[38]このシアノバクテリアは、世界中の水域で大量発生します。バルト海では、 Nodularia spumigenaの海洋大量発生は、世界最大級のシアノバクテリア大量発生の一つです。^[39]（バルト海には、9 つ​​の先進国の一部が流入していますが、北海や大西洋との水の交換はほとんどありません。そのため、世界で最も汚染された水域の 1 つとなっています（シアノバクテリアの観点からは、栄養分が豊富）。）

世界的に、淡水および汽水域のシアノバクテリアの大量発生に含まれる最も一般的な毒素は、ノジュラリンファミリーの環状ペプチド毒素です。ミクロシスチンファミリー（上記）と同様に、ノジュラリンは強力な肝毒性物質であり、肝臓に深刻な損傷を引き起こす可能性があります。ノジュラリンは野生動物や家畜、そして人間に健康上のリスクをもたらし、多くの地域で安全な飲料水の供給に大きな課題をもたらしています。^[28]

アルカロイドは、主に塩基性窒素原子を含む天然化合物のグループです。シアノバクテリアを含む多種多様な生物によって生成され、二次代謝物とも呼ばれる天然物質のグループの一部です。アルカロイドは、人間や他の動物のさまざまな代謝系に作用し、多くの場合、向精神作用または毒性作用を伴います。ほぼ一様に、苦味があります。^[40]

アナトキシンA（別名「超急速死因子」）の調査は、1961年にカナダのサスカチュワン州で藻類の大量発生が起きた湖の水を飲んだ牛の死をきっかけに始まりました。 ^{[41] [42]}この毒素は少なくとも4つの異なるシアノバクテリア属によって生成され、北米、ヨーロッパ、アフリカ、アジア、ニュージーランドで報告されています。^[43]

アナトキシン-aは神経毒として神経細胞 (ニューロン)に直接作用するため、その毒性効果は非常に急速に進行します。アナトキシン-aへの曝露の進行性症状は、協調運動障害、けいれん、痙攣、呼吸麻痺による急速な死です。筋肉と連絡する神経組織には、ニコチン性アセチルコリン受容体と呼ばれる受容体があります。これらの受容体を刺激すると、筋肉の収縮が起こります。アナトキシン-a分子はこの受容体にフィットするように形作られており、このようにして、受容体が通常使用する天然の神経伝達物質であるアセチルコリンを模倣します。アナトキシン-aは収縮を引き起こすと、通常はこの機能を果たすコリンエステラーゼによって分解されないため、ニューロンが休止状態に戻ることを許可しません。その結果、筋肉細胞は永久に収縮し、脳と筋肉の間の連絡が途絶え、呼吸が停止します。^{[44] [45]}

外部ビデオ
非常に速い死因 ノッティンガム大学

この毒素は、マウスの体腔内に注入すると数分以内に震え、麻痺、死を引き起こすことから、「超高速死因子」と呼ばれた。1977年、VFDFの構造は第二級の二環式アミン アルカロイドであると決定され、アナトキシン-aと改名された。^{[46] [47]構造的には}コカインに似ている。^[48]アナトキシン-aは、レクリエーション用水や飲料水に及ぼす危険性と、神経系のアセチルコリン受容体を調査するための特に有用な分子であるため、引き続き関心を集めている。^[49]この毒素の致死性は、それが毒物兵器として軍事的に高い潜在性を持っていることを意味する。^[4]

シリンドロスペルモプシン（略称CYNまたはCYL）は、オーストラリアのパーム島で謎の病気が発生した後に初めて発見されました。 ^{[50]この発生は、地元の飲料水供給源におけるシリン}ドロスペルモプシス・ラシボルスキーの大発生にまでさかのぼり、その後毒素が特定されました。毒素の分析により、 1992年に化学構造が提案され、2000年に合成が達成された後に修正されました。毒性のあるものも毒性のないものも含め、シリンドロスペルモプシンのいくつかの変種が単離または合成されています。^[51]

シリンドロスペルモプシンは肝臓や腎臓の組織に有毒で、タンパク質合成を阻害し、DNAやRNAを共有結合で修飾すると考えられています。淡水生物におけるシリンドロスペルモプシンの生体内蓄積が懸念されています。^[52]シリンドロスペルモプシンを産生する属の有毒なブルームは、熱帯、亜熱帯、乾燥地帯の水域で最も一般的に見られ、最近ではオーストラリア、ヨーロッパ、イスラエル、日本、米国でも発見されています。^[36]

サキシトキシン（STX）は、最も強力な天然神経毒として知られている。サキシトキシンという用語は、この毒が最初に認識されたハマグリ（ Saxidomus giganteus ）の種名に由来する。サキシトキシンは、シアノバクテリアのアナベナ属、一部のアファニゾメノン属、シリンドロスペルモプシス属、リンビア属、プランクトスリックス属などによって生成される。^[53] フグや一部の海洋渦鞭毛藻もサキシトキシンを生成する。^{[54] [55]サキシトキシンは貝類や特定の魚類に蓄積する。サキシトキシンを摂取すると、通常は有毒な藻類の繁殖によって汚染された貝類を介して、}麻痺性貝中毒を引き起こす可能性がある。^[28]

サキシトキシンは分子生物学においてナトリウムチャネルの機能を確立するために使われてきた。神経細胞の電位依存性ナトリウムチャネルに作用し、正常な細胞機能を阻害して麻痺を引き起こす。麻痺性貝中毒で起こる神経ナトリウムチャネルの遮断は弛緩性麻痺を引き起こし、症状が進行する間、被害者は平静で意識がある。死因は呼吸不全であることが多い。^{[56]サキシトキシンはもともと}米国軍によって単離・記述され、化学兵器として「TZ」と命名された。サキシトキシンは化学兵器禁止条約のスケジュール1に記載されている。^[57]スパイクラフトという本によると、U-2偵察機のパイロットには、脱出が不可能な場合に自殺に使うサキシトキシン入りの針が支給された。^[58]

エトクトノトキシン（AETXと略される）は、2021年に空胞性ミエリノパシー（VM）を引き起こすシアノバクテリアの神経毒として発見されました。^[59]エトクトノトキシンの生合成は淡水系における臭化物の利用可能性に依存し、毒素産生シアノバクテリアAetokthonos hydrillicolaとそれが着生する宿主植物（最も重要なのはハイドリラ）との相互作用を必要とするため、1994年にハクトウワシでこの病気が初めて診断されてから、VM誘発毒素としてエトクトノトキシンが発見されるまでに25年以上かかりました。^{[60]この毒素は食物連鎖を通じて連鎖反応を起こし、他の動物では、シアノバクテリアが定着した}ハイドリラを食べるオオバンやアヒルなどの魚類や水鳥に影響を与えます。エトクトノトキシンは、感染した動物を捕食するハクトウワシなどの猛禽類に感染します。[ 61 ^]

空胞性ミエリン症は、脳と脊髄の白質にある髄鞘軸索の広範な空胞化（髄鞘内浮腫）を特徴とする。中毒の臨床症状には、運動機能と視力の重度の喪失が含まれる。感染した鳥は物体に飛び込み、泳ぐ、飛ぶ、歩くなどの協調運動ができず、頭が震え、反応がなくなる。毒素は生体蓄積性があることが示されているため、人間の健康にも脅威となる可能性があると懸念されている。^[59]しかし、哺乳類に対する毒性は実験的にまだ確認されていない。

リポ多糖類は全てのシアノバクテリアに存在します。他のシアノトキシンほど強力ではありませんが、シアノバクテリアの全てのリポ多糖類は皮膚を刺激する可能性があると主張する研究者もいますが、毒性効果がそれほど一般的ではないと疑問視する研究者もいます。^[62]

非タンパク質構成アミノ酸であるβ-メチルアミノ-L-アラニン（BMAA）は、海洋、淡水、汽水、陸生環境においてシアノバクテリアによって普遍的に生産されています。^{[63] [64]} BMAAの神経細胞に対する毒性の正確なメカニズムは調査中です。研究では、毒性の急性メカニズムと慢性メカニズムの両方が示唆されています。^{[65] [66] BMAAは、} ALS、パーキンソン病、アルツハイマー病 などの神経変性疾患の潜在的な環境リスク要因として調査されています。^[67]

その他のシアノトキシン:

• 
  グアニトキシン
• 
  アプリシアトキシン

• ダイノトキシン
• 微生物マット
• 微生物毒素
• ミクロビリジン

• Cyanosite - パデュー大学のシアノバクテリア研究用 Web サーバー。
• 有毒藻類の危険性環境カンタベリー2009 年 10 月 31 日更新。2011 年 1 月 23 日閲覧。