ロリンアルカロイド

ロリンアルカロイドは、 1-アミノピロリジジン（ロリンとも呼ばれる）の一種で、いくつかの異なる生物学的特徴と化学的特徴を持つ生理活性 天然物です。ロリンは、 Epichloë属（アナモルフ種：Neotyphodium ）の共生菌に感染した イネ科植物で生成される殺虫性および昆虫忌避性の化合物です。ロリンは、内生菌に感染したイネ科植物の昆虫食に対する抵抗性を高め、感染した植物を干ばつや空間的競争などの環境ストレスから保護する可能性もあります。これらはアルカロイドであり、塩基性窒素原子を含む有機化合物です。ロリン類の 基本的な化学構造は、飽和ピロリジジン環、C-1 炭素の第一級アミン、および 2 つの離れた環 (C-2 および C-7) 炭素を結合する内部エーテル架橋 (ロリン類の特徴で、有機化合物では珍しい) から構成されます (図 1 を参照)。C -1 アミンのメチル基、ホルミル基、アセチル基などのさまざまな置換基により、昆虫に対する生物活性が変化するロリン種が生成されます。エンドファイトとイネ科の共生菌の他に、ロリンアルカロイドは他の植物種、すなわちAdenocarpus種 (マメ科) およびArgyreia mollis (ヒルガオ科)でも確認されています。

ロリンアルカロイドの一種が、Lolium temulentumというイネ科植物から初めて単離され、その元素組成が1892年に決定された。当初はテムリンと名付けられ、後にノルロリンと改名された。（Schardlら（2007）によるレビュー）^[1] 1950年代と1960年代のロシアの研究者による研究により、ロリンという名前が確立され、その分子構造に特徴的な2,7エーテル結合が特定された。^[1]それ以来、ロリンの精製および分析方法が改良され、Epichloë/Neotyphodium （epichloae）エンドファイトに感染した多くのLoliumおよび関連イネ科植物で、いくつかの異なるロリン種が特定されている。^{[2] [3]}ロリンは、epichloaeエンドファイトを持たないイネ科植物には存在せず、すべてのepichloaeがロリンを生成するわけではない。^[1]植物とエンドファイトは非常に密接な関係にあり、試験管内で共生状態を再現することが難しいため、ロリンの生産者が真菌なのか、エンドファイトの感染に反応して植物がロリンを合成するのかは長い間不明でした。2001年に、エンドファイトのNeotyphodium uncinatumが一部の化学的に定義された成長培地でロリンを生成することが実証されました。^[4]これは、エンドファイトがイネ科植物のロリンの生産者でもあることを示唆しています。ロリンはいくつかの植物科の植物からも報告されており、^{[5] [6]}これは、これらの化合物が自然界でより広範囲に存在していることを示唆しています。

ロリン類は、半翅目、鞘翅目、膜翅目、鱗翅目、カメムシ目などの広範囲の昆虫に対して殺虫作用および忌避作用があり、例えば、オオトウワタアブラムシ（Rhopalosiphum属）、オオトウワタバグ（Oncopeltus fasciatus）、ワモンゴキブリ（Periplaneta americana）などがある。^{[1] [7]牧草種子抽出物に含まれる} N-ホルミルロリンまたはN-アセチルロリンのLC ₅₀値は、アブラムシおよびトウワタバグに対して1～20 μg/mlであり、昆虫の発育および繁殖力を阻害し、ロリンを含む牧草組織を避ける原因となる。^[7] しかし、草の抽出物を用いた摂食試験の結果は、抽出物中に他のエンドファイトアルカロイドが存在するため解釈が難しい場合があり、^[1]ロリンの殺虫作用の正確なメカニズムは不明です。 ロリンは昆虫に対して神経毒性がある可能性があり、C-1-アミンの化学基の違いにより昆虫毒性のレベルが異なります。たとえば、エンドファイトに感染した草本植物で高濃度で存在するN -ホルミルロリン (図 2 を参照) ^[7]は、草本植物で低濃度で存在する他のロリンよりも昆虫毒性が強いです。^[1]

ロリンの生物活性は、草本組織中の濃度の変動により、予想外の変動を示す。例えば、トールフェスクの内生菌N. coenophialumは、移動性根内寄生線虫Pratylenchus scribneriに対する抵抗性強化と関連している。低濃度では、N-ホルミルロリンはP. scribneriに対する化学誘引物質として機能するが、高濃度では忌避剤として作用する。^[8]しかし、麦角アルカロイドもP. scribneriに対する忌避効果と固定効果を持ち、^[8]ロリンを欠き、麦角アルカロイドを生成しないように遺伝子操作されたペレニアルライグラスの内生菌は、この線虫に対する抵抗性を示す。^[9]そのため、線虫抵抗性に対するロリンと麦角アルカロイドの相対的な重要性は不明のままである。

多くのエピクロア内生菌（ Lolium arundinaceum（別名Festuca arundinacea、トールフェスク）と共生するN. coenophialum^{を含む）も、哺乳類の草食動物に有毒な麦角アルカロイドを生成します。麦角アルカロイドは植物中に比較的低濃度で存在し、分析では検出が難しい場合が多いです。対照的に、ロリンはイネ科の組織に非常に高いレベルで蓄積することが多く、 [1]}そのため、当初は哺乳類の草食動物に対する毒性とも関連付けられていました。[10] 特に、ロリンは、N. coenophialumに感染したイネ科の草^を食べた家畜に現れるフェスク中毒と呼ばれる有毒症状の原因であると考えられていました。^{[10]しかしその後、}フェスク中毒症（または夏症候群）の症状の原因は内生菌が産生する麦角アルカロイドのみであり、 ^[11]ロリンは原因ではないことが実証されました。ロリンは、高用量であっても、哺乳動物の餌食に対する生理学的影響は非常に小さいです。^[12]別のアルカロイド群であるセネシオ型アルカロイドは、さまざまな植物によって産生され、ロリンと同様に、セネシオアルカロイドはピロリジジン環構造を持っています。 しかし、ロリンとは異なり、セネシオアルカロイドは環構造のC-1とC-2の間に二重結合があるため、強い肝毒性を示します。 [ ^{13 ]}この二重結合はロリンには存在せず、このグループの化合物には肝毒性がないことを説明しています。ロリンは種子の発芽や他の植物の成長を阻害する（アレロパシー）^{[14]ことや、感染したイネ科植物の}干ばつに対する抵抗力を高めることが示唆されているが、そのような効果はより自然な栽培条件や生息地では実証されていない。^{[1] [15]}

ロリンは、エピクロアエ種が関与するいくつかのイネ科植物と内生菌の共生によって生成され、麦角アルカロイドやインドール ジテルペノイドなどの他の生理活性代謝物、および他の生物群集や生物には見られない珍しいピロロピラジンアルカロイドであるペラミンとともに生成されることが多い。しかし、ロリンは10 mg/gのイネ科植物組織を超えるレベル（2～20,000 μg/gの範囲^{[1] [16]}）で生成され、他の内生菌アルカロイドの濃度の1000倍以上になることがある^{[7] 。N} . uncinatumとN. coenophialumに感染したイネ科植物Lolium pratense（別名Festuca pratensis、メドウフェスク）とトールフェスク （図3を参照）で生成されるロリンは、それぞれイネ科植物の組織中でさまざまな濃度を示す。^{[2] [16]}種子と若い葉の組織にはより高いロリン濃度（100～1000 μg/g）が存在し、ロリンは植物全体で濃度レベルの季節的変化を示します。^[16]開花茎や種子など、ロリン濃度の高い組織が定期的に出現することが、この季節変動の一因となっています。^[16]ロリン濃度は、植物の落葉や刈り込み後に再成長した草の組織で増加することが多く、共生パートナーの両方が関与する誘導性の防御応答メカニズムを示唆しています。しかし、この増加は、古い葉と比較して若い葉のロリンレベルが高いためと思われますが、^[17]誘導性の植物防御に似たロリンの増加も報告されています。^[18]特定の草の組織の発育段階によるロリン濃度の変動^[16]は、植物体内のロリン分布の調節を示唆しており、昆虫による攻撃から新しく成長した組織や胚の組織をより強力に保護します。^[1]驚くべきことに、植物シグナル伝達化合物であるメチルジャスモン酸（昆虫による捕食の合図としてよく使われる）を外因的に施用すると、ロリン遺伝子の発現が減少する。 ^[19]ロリン生成を制御する因子は、内生菌に感染した草本植物の組織によっても異なる。ロリンの前駆体である植物由来のアミノ酸は、多くの草本植物の組織でロリンの蓄積を制限するが、^[17]真菌の繁殖のために外部菌糸が成長する組織（間質）でのロリン生成は、ロリン遺伝子の発現によって制御される。^[20]

ロリンは、多くの植物が生成するピロリジジンアルカロイド、特に第三級アミンを含むネシン環と構造的に類似しています。このことから、ロリンの生合成は、ポリアミンから合成される植物性ピロリジジンの生合成と類似しているという初期の仮説が生ま​​れました。^{[21]しかし、ロリン生成菌類}N. uncinatumの純粋培養における炭素同位体標識アミノ酸または関連分子の給餌研究により、ロリンアルカロイドの経路は、植物性ピロリジジンの経路とは根本的に異なることが最近実証されました。^[1]ロリンの基本的な化学構造は、アミノ酸前駆体であるL-プロリンとL- ホモセリンからいくつかの生合成段階で組み立てられます。^[22]ロリン生合成の第一段階として提案されているのは、これら2つのアミノ酸が縮合反応で結合し、ホモセリンのγ炭素とプロリンの第二級アミンがPLP型酵素触媒反応で結合してロリン中間体であるN -(3-アミノ-3-カルボキシ)プロピルプロリン(NACPP)を形成するというものである。^{[23]ロリン生合成のさらなる段階は、ホモセリンとプロリン部分の}カルボキシ基のPLP酵素触媒および酸化脱炭酸、ロリンのコア環構造を形成する環化、および2つのピロリジジン環にまたがる酸素橋を与えるC-2およびC-7炭素の酸化によって進行すると考えられている。^{[1] [24]}

遺伝学的研究は、前駆体摂食実験で確立された生合成経路と一致している。^[1] ロリンを生産する能力が異なる内生菌Epichloë festucaeの株間の交配を用いたAFLPベースの研究では、ロリンの生産と、アブラムシRhopalosiphum padiによるイネ科植物Lolium giganteumの摂食からの保護がメンデルの法則に従って分離することが示されている。^{[25]ロリン生産のための単一の}遺伝子座の存在は、ロリンを生産する epichloae 内生菌が少なくとも 11 個の遺伝子からなる遺伝子クラスター( LOLクラスター)を含むという発見によって後に確認された。 ^{[20] [26]} LOL遺伝子はロリンアルカロイドの生産中に大きく協調的にアップレギュレーションされ、 ^{[24]選択された}LOL遺伝子をRNA 干渉と遺伝子ノックアウトによって操作する実験的遺伝子検査によって、 2 つの LOL 遺伝子がロリンの生合成に関与することが直接確認されている。^{[27] [28]}これらの試験およびこれらの遺伝子によってコードされるタンパク質のペプチド配列と既知の酵素との類似性から、 lolCと呼ばれる遺伝子の1つがロリン生合成の最初のステップ（NACPP形成のためのL -プロリンとL -ホモセリンの縮合）に必要である可能性が高いこと、 ^[27]もう1つの遺伝子であるLolP （おそらくシトクロムP450モノオキシゲナーゼをコードする）がN -メチルロリンのC-1アミンの1つのメチル基の酸素化に必要であることが示唆され、この反応により、多くの草本植物の内生菌共生菌で最も豊富なロリンであるN -ホルミルロリンが生成されます。^[28]