理化学研究所(理研)は8月11日、新開発のメタボローム解析法を用いて、アスパラガスの代謝物「アスパラプチンA」の生合成経路、中間体および類縁体を明らかにし、またアスパラプチンAに血圧降下作用があることを示したと発表した。

同成果は、理研 環境資源科学研究センター 統合メタボロミクス研究グループの中林亮研究員(研究当時、現・客員研究員)、同・西澤具子テクニカルスタッフI、同・斉藤和季グループディレクター、同・メタボローム情報研究チームの山田豊テクニカルスタッフI、同・質量分析・顕微鏡解析ユニットの森哲哉専門技術員、岩手医科大学 薬学部の浅野孝助教、虎の門病院 集中治療科・循環器センター内科の桑原政成医師らの共同研究チームによるもの。詳細は、農業と食品に関する化学および生化学を扱った学術誌「Journal of Agricultural and Food Chemistry」に掲載された。

アスパラガスは世界中で生産されている主要な野菜の一種で、血圧上昇を抑制する作用があることがわかっており、その成分の1つとして「ニコチアナミン」が確認されている。

研究チームは、これまでに含硫黄代謝物を標的としたメタボローム解析により、アスパラガスから代謝物「アスパラプチン」を発見。この成分が血圧の調節因子の1つである「アンジオテンシン転換酵素」(ACE)の阻害活性を示すことを報告している。

今回の研究では、質量分析、安定同位体標識、そして化合物構造の同定・推定が可能な「MS/MSスペクトル」の類似性解析を組み合わせたメタボローム解析を実施。アスパラプチンの生合成経路、中間体および類縁体の一斉解析を試みると共に、同代謝物の血圧降下作用を調査することにしたという。

まず、アスパラプチンの構成因子の1つと考えられる「含有硫黄カルボン酸」の「アスパラガス酸」が、アミノ酸の「バリン」から生合成される可能性を考慮し、炭素の安定同位体の1つで、自然界では約1％の割合で存在する「13C」で標識したバリンで培養したアスパラガスのカルス(培地上などで培養されている分化していない状態の植物細胞の塊)と、非標識(12C)のバリン、つまり通常条件で培養したアスパラガスのカルスのメタボロームデータを、LC-MS/MSを用いて、網羅的な取得を実施したという。

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    (左)アスパラガスのカルス。(右)アスパラガスの代謝物である「アスパラプチンA」(今回、アスプラチンから改名)の構造式 (出所:理研Webサイト)

「多変量解析手法」の1つである「S-プロット」を用いて、これらのデータの解析が実行されたところ、それぞれのサンプルの代謝物由来のイオンがきれいに分離され、アスパラガスのカルス中におけるバリン由来の代謝物に、13C標識バリンの13Cが取り込まれたことが示されたという。

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    13C標識および非標識メタボロームデータを用いたS-プロット。各▲は代謝物由来のイオンが表されている。左右の位置の違いは、バリン由来の代謝物が存在することを示しているという (Reprinted with permission from Nakabayashi et al., J. Agric. Food Chem., 10.1021/acs.jafc.1c01183. Copyright (2021) American Chemical Society.) (出所:理研Webサイト)

さらに、それらのデータを用いたMS/MSスペクトルの類似度によるペアリングを実施。得られたイオンが類似性でペアリングされ、類似性によるネットワークが構築され、構築されたネットワークに、アスパラプチン、中間体および類縁体に関係するイオンのペアがあることが確認された。

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    13C標識および非標識メタボロームデータのMS/MSスペクトルの類似性解析。黄色の〇は、13C標識および非標識代謝物由来のイオンのペアであることが表されている。〇をつなぐ線は類似性が表されている (Reprinted with permission from Nakabayashi et al., J. Agric. Food Chem., 10.1021/acs.jafc.1c01183. Copyright (2021) American Chemical Society.) (出所:理研Webサイト)

また、アスパラプチンの「asparagusyl基」がバリン由来であること、また、生合成中間体として考えられていた「S-(2-carboxy-n-propyl)-cysteineの2-carboxy-n-propyl基」もバリン由来であることが特定されたほか、残りの代謝物に関するイオンのペアについての解析の結果、MS/MSスペクトルから、これらの代謝物はアミノ酸のリジンあるいはヒスチジンとアスパラガス酸との結合体であることが示唆されたとする。

さらなる解析の結果、これらの代謝物は新規であり、アスパラプチンの類縁体であることが判明。これを踏まえ、元のアスパラプチンがアスパラプチンAと改名され、リジン型がアスパラプチンB、ヒスチジン型がアスパラプチンCと命名されることとなったという。

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    今回発見された「アスパラプチンB」および同Cの構造解析。黄色の〇は、13C標識バリン由来、緑の〇はリジンあるいはヒスチジン由来であることが示されている (Reprinted with permission from Nakabayashi et al., J. Agric. Food Chem., 10.1021/acs.jafc.1c01183. Copyright (2021) American Chemical Society.) (出所:理研Webサイト)

さらに、アスパラプチンAは試験管内においてACEに対する阻害活性を示すことから、高血圧モデルマウスを用いや血圧降下作用の調査を実施。アスパラプチンAが経口投与されたマウスでは、投与1時間後には迅速に血圧低下が見られ、投与2時間後で最大の血圧低下作用が確認されたとするほか、投与3時間後には血圧低下作用は軽減し、投与2日後には元の血圧に戻ることが判明。アスパラプチンAが短時間作用型のACE阻害剤としての効果を持つことが示されたとしている。

なお、研究チームによると、今回の手法を、既存の類似性解析に組み込むことで、未知代謝物の構造解析の精度が高まることが期待できるとしているほか、今回の手法によるアスパラプチンBおよびCの発見により、アルギニン以外のアミノ酸とアスパラガス酸が結合したアスパラプチン類の存在が示されたことから、未だ見つかっていないアスパラプチン類の中には、より強いACE阻害活性を示すものがある可能性もあるとのことで、今後、より高感度の最先端質量分析装置と、今回の研究で開発された解析手法を組み合わせることで、その一部またはすべてが発見される可能性があるとしている。