表紙(FrontPage) | 編集(管理者用) | 差分 | 新規作成 | 一覧 | RSS | 検索 | 更新履歴

Isoxaben - イソキサベン

目次

イソキサベン

除草剤として開発された 

分子量 C18H24N2O4 = 332.4

和光純薬から買える code 096-03921

DMSO に溶かして使う ストックは 1mM  更に薄めたものも作る  培地に 1/2000 くらいの割合で加えるようにストック溶液を作る  -20℃保存

適切な条件では、2 nM という低濃度で根の形態を肥大させる。このような低濃度で作用し、さらに耐性変異体が容易に入手できる阻害剤は珍しい。

しかし Isoxaben の作用機構は十分に解明されているわけではないので気をつけなければならないという letter が発表されている。

Cellulose biosynthesis inhibitor isoxaben causes nutrient-dependent and tissue-specific Arabidopsis phenotypes   Plant Physiol. 2023 Oct 12:kiad538. doi: 10.1093/plphys/kiad538. Online ahead of print.   Michael Ogden, Sarah J Whitcomb, Ghazanfar Abbas Khan, Ute Roessner, Rainer Hoefgen, Staffan Persson  PMID: 37823413

RNA-seq データ GSE228764 が公開されている。


低濃度で非常によく効くと言うことは何を示しているのだろうか。創薬研究では、低濃度でよく効く薬を見いだしにくい標的分子が存在していることが知られているそうである。それらは「Undruggable gene」(創薬が困難な遺伝子)と呼ばれるそうである。深いポケット状の部分が無いと、物理的に低分子医薬品が結合しにくく、よく効く薬を見いだしにくい。参考にしたページ: http://scienceportal.jp/HotTopics/technofront/12.html   サイエンスポータル 「インシリコ創薬による難病克服への挑戦」 理化学研究所 制御分子設計研究チーム チームリーダー、創薬・医療技術基盤プログラム マネージャー 本間 光貴 博士による解説

しかし、「がん: 「効く薬が作りにくい」タンパク質を狙い撃ちする薬 Cancer: Drug for an 'undruggable' protein p577」 Nicole M. Baker & Channing J. Der doi:10.1038/nature12248  と言う記事も Nature に掲載されていた。


イソキサベンが低濃度で非常によく効くと言うことは、その標的分子に、イソキサベンが結合できる深いポケット状の高次構造があると言うことを示している。標的分子がセルロース合成酵素、またはそれと緊密に関連する分子だとしたら、その分子には深いポケット状の高次構造があることになる。そこには本来何が入り込むのだろうか。セルロース繊維が細胞外に出て行く部分(輸送体)の、セルロースが通過する部分かもしれない。その部分はリン脂質二重層の疎水性部分と相互作用するだろうから、ある程度疎水的なのかもしれない。

化学と生物(日本農芸化学会会誌)2013年2月号に、上田、源治 両先生が「生理活性天然物の標的タンパク質をいかに捕まえるか」というすばらしい解説を書かれている。今まで、ある生理活性物質があれば、それと特異的に強く結合する標的タンパク質は細胞内にただ一つであるだろうと何となく思われてきた。しかし最近の研究成果は、ある天然物リガンドは細胞内の複数の標的分子に対して同時に強く結合することが多いことを示しているそうである。「複数の錠に作用する鍵束・またはマスターキー」と考えるとよいそうである。複数の錠が同時に開くことになるので、同時に様々なことが起きることになる。それによって観測される結果はとても複雑で不可解に思えることも起きる。複数存在しうる標的タンパク質の実体をつかむための最新の方法について解説されている。

isoxaben が効きにくくなった変異体がある。変異遺伝子は CESA3 (ixr1), CESA6 (ixr2) である。ABRC から種子を送ってもらえる。これらの変異体は Heim という人が取ったもので、ずっと前から入手できたが誰も使っていなかった。しかし Somerville ら、Hofte らの分析によってセルロース合成酵素の変異だとわかった。Isoxaben がセルロース合成に対する特異性が高いことを示している。

作用機構はDCB とは異なると思われる。ixr 変異体はセルロース合成酵素遺伝子に変異があるので、isoxaben がセルロース合成酵素に直接結合すると推定されている。しかし、ixr 変異体で変異している部位は触媒部位とはかなり離れたところだと言われている(C末端に近い)。結合を試したというデータも全くない。

セルロース合成酵素以外のタンパク質や物質の輸送に影響を与えるかどうかは、厳密には確認されていない。しかし、ixr 変異体にイソキサベンを与えた際にはほとんど何の効果も見られないことから、セルロース合成酵素、またはセルロース合成酵素と強い関連を持つ何らかの因子に対する特異性が極めて高いと思われる。

Direct observation of the effects of cellulose synthesis inhibitors using live cell imaging of Cellulose Synthase (CESA) in Physcomitrella patens.   Tran ML, McCarthy TW, Sun H, Wu SZ, Norris JH, Bezanilla M, Vidali L, Anderson CT, Roberts AW.   Sci Rep. 2018 Jan 15;8(1):735. doi: 10.1038/s41598-017-18994-4.   PMID: 29335590

The Cell Wall Proteome of Craterostigma plantagineum Cell Cultures Habituated to Dichlobenil and Isoxaben   Cells. 2021 Sep 2;10(9):2295.   Gea Guerriero など   PMID: 34571944 PMCID: PMC8468770 DOI: 10.3390/cells10092295

復活植物(乾燥耐性)と細胞壁

細胞壁は植物が乾燥すると収縮する。収縮が強いと元に戻れなくなり細胞にダメージを与える。乾燥で枯れたように見えても水を与えると元に戻る、復活植物と呼ばれる種類がある。   https://www.kobe-u.ac.jp/research_at_kobe/NEWS/news/2019_03_01_02.html 「乾燥状態からよみがえる”復活植物”の乾燥耐性メカニズムを解明」 神戸大学 ツェンコヴァ・ルミアナ教授の研究グループによる成果

復活植物では細胞壁多糖の組成が普通の植物と大きく異なるものがある。 Response of the leaf cell wall to desiccation in the resurrection plant Myrothamnus flabellifolius.     Moore JP, Nguema-Ona E, Chevalier L, Lindsey GG, Brandt WF, Lerouge P, Farrant JM, Driouich A.     Plant Physiol. 2006 Jun;141(2):651-62. Epub 2006 Apr 7.    と言う論文では、 Myrothamnus flabellifolius という植物の乾燥時の形態変化を調べている。 この植物の顕著な特性として、乾燥した際に細胞壁が折れ曲がる (cell wall folding) ことが観察された (Fig.2H)。強い乾燥ストレスを受けると、細胞質が収縮し原形質分離を起こして細胞壁と細胞質の結合がなくなってしまう。そうなると細胞質が保護されなくなり、細胞にとって非常にダメージが強いらしい。細胞壁が乾燥時に折れ曲がると細胞一つ一つが占める体積も細胞質と同じように小さくなり、収縮した 細胞質を保護するためには有利であると思われる。著者らはこのしくみが葉肉細胞を機械的に安定するのに主要な役割を果たしていると推定している。 細胞壁の組成を分析すると、TFA 可溶性画分のアラビノースの割合が非常に高い (Fig.3)。セルロースは全体の約4割で、普通の植物よりも少し多い (Table 1)。著者らは、セルロースが多い厚い細胞壁がストレスに耐えるための堅い構造物として機能していると推察している。また著者らは、アラビノースを多く含 む多糖類、または糖タンパク質が細胞壁に多量に存在することで、細胞壁が可塑性 (plasticity) を増しているのではないかと考察している。厚い細胞壁の部分で構造を保ちながら、その間をつないでいる細胞壁が可塑性を持つことで細胞体積を乾燥とともに 縮小することが出来る。これによって収縮した細胞質を保護できる。また著者らはアラビノースを多く含む細胞壁が高吸水性を持つのではないかとも考察してい る。

他にも論文がある。 Arabinose-rich polymers as an evolutionary strategy to plasticize resurrection plant cell walls against desiccation.  Moore JP, Nguema-Ona EE, Vicré-Gibouin M, Sørensen I, Willats WG, Driouich A, Farrant JM.  Planta. 2013 Mar;237(3):739-54. doi: 10.1007/s00425-012-1785-9. Epub 2012 Nov 2.  PMID: 23117392

A role for pectin-associated arabinans in maintaining the flexibility of the plant cell wall during water deficit stress.  Moore JP, Farrant JM, Driouich A.  Plant Signal Behav. 2008 Feb;3(2):102-4. doi: 10.4161/psb.3.2.4959.  PMID: 19704722


DCBIsoxabenThaxtomin と関連するマイクロアレイの結果が公開されている。http://www.ebi.ac.uk/microarray-as/aer/#ae-main[0] ArrayExpress のホームページで、"Arabidopsis DCB" "Arabidopsis isoxaben" "Arabidopsis thaxtomin" のようにサーチするとデータを得られる。"Arabidopsis DCB" で出てくるものは、実際は isoxaben-habituated cell のデータ (Manfield IW 2004) らしい。説明文が間違っている。

文献:

The Arabidopsis Class III Peroxidase AtPRX71 Negatively Regulates Growth under Physiological Conditions and in Response to Cell Wall Damage.   Raggi S, Ferrarini A, Delledonne M, Dunand C, Ranocha P, De Lorenzo G, Cervone F, Ferrari S.   Plant Physiol. 2015 Dec;169(4):2513-25. doi: 10.1104/pp.15.01464. Epub 2015 Oct 14.   PMID: 26468518

細胞壁には多種類のペルオキシダーゼが存在している。AtPRX71 というペルオキシダーゼは、クラス III に分類され、イソキサベン処理で細胞壁を攪乱すると遺伝子発現量が大きく上昇する (Fig. 1B)。カビ Aspergillus の polygalacturonase (PG) を細胞壁で働くようにした植物でも上昇する (Fig. 1A)。qua2-1 という、ペクチンメチルトランスフェラーゼが欠失した変異体でも上昇する (Fig. 1A)。

AtPRX71 が欠失した変異体は、大きなロゼットを作る (Fig. 3A)。芽生えも重くなる (Fig. 3D)。過剰発現すると少し小さくなる (Fig. 4B)。

イソキサベン処理で根の伸長は阻害されるが、AtPRX71 が欠失していると阻害が緩和されてすこし伸びるようになる (Fig. 8)。

AtPRX71 が欠失した変異体の葉は活性酸素が少なくなる。過剰発現したものは活性酸素が多くなる。芽生えはイソキサベン処理に応答して過酸化水素を多量に作るようになるが、AtPRX71 が欠失していると過酸化水素の増え方が小さくなる (Fig. 9ABC)。

実用作物で、AtPRX71 に相当するクラス III ペルオキシダーゼを欠失させることで バイオマス生産を増加させ、細胞壁を効率よく分解できるのではないかと考察されている。


植物細胞では、細胞骨格だけでなく細胞壁も、細胞の力学的性質を決定する因子である。細胞壁が、オーキシンの efflux carrier である PIN2 の極性に影響を与えるという論文が発表された。

PIN2 の機能が失われると重力屈性がおきなくなる。PIN1 とは、細胞内での局在性が異なるので、PIN2変異体でPIN1を働かせても回復しない。その状態の植物に変異処理をして、重力屈性が回復した変異体を見いだした。 その原因遺伝子は、CesA3 だった。この遺伝子の変異はイソキサベンに耐性を持つことが知られている。今回見つけた変異体もそうだった。セルロース合成阻害剤を与えても、PIN1によるPIN2の回復が起きるようになった。セルロース合成が阻害されるとPIN1,2タンパク質の極性を持った配置が影響を受け、一様に分布するらしい。プロトプラスト化や原形質分離にも、同様な効果があった。セルロースが支配的な役割を果たしている植物細胞の機械的性質と、細胞の極性に深いつながりがある。CesA3 変異やイソキサベン処理は細胞の機械的性質を変化させることで PIN に作用している。

PIN Polarity Maintenance by the Cell Wall in Arabidopsis.   Feraru E, Feraru MI, Kleine-Vehn J, Martiniere A, Mouille G, Vanneste S, Vernhettes S, Runions J, Friml J.   Curr Biol. 2011 Feb 9. [Epub ahead of print]   PMID: 21315597

PIN 以外にも、細胞内で極性をもって局在することで機能を果たす分子がたくさんある。

Polarization of IRON-REGULATED TRANSPORTER 1 (IRT1) to the plant-soil interface plays crucial role in metal homeostasis.   Barberon M, Dubeaux G, Kolb C, Isono E, Zelazny E, Vert G.   Proc Natl Acad Sci U S A. 2014 Jun 3;111(22):8293-8. doi: 10.1073/pnas.1402262111. Epub 2014 May 19.   PMID: 24843126

鉄の輸送に関わる IRT1 タンパク質もそうだった。それならば、セルロース合成が阻害されることで極性がうまく確立されないと、オーキシンだけでなく鉄の輸送にも影響が出る可能性がある。 他にもそういう成分はあるだろう。セルロース合成それ自体がそうである可能性は高い。もしそうならセルロース合成が阻害されることでセルロース合成が阻害されることになる。セルロース合成阻害剤がよく効くことを説明できる。


オーキシンの輸送阻害剤2,3,5-triiodobenzoic acid (TIBA) and 2-(1-pyrenoyl) benzoic acid (PBA)  はアクチン繊維を安定化するという論文がある。PINタンパク質の局在とアクチンに関係があるのかもしれない。

Auxin transport inhibitors impair vesicle motility and actin cytoskeleton dynamics in diverse eukaryotes.   Dhonukshe P, Grigoriev I, Fischer R, Tominaga M, Robinson DG, Hasek J, Paciorek T, Petrasek J, Seifertova D, Tejos R, Meisel LA, Zazimalova E, Gadella TW Jr, Stierhof YD, Ueda T, Oiwa K, Akhmanova A, Brock R, Spang A, Friml J.   Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Mar 18;105(11):4489-94. Epub 2008 Mar 12.

しかし、PIN2 の局在はアクチンと関係がないという論文もある。Dhonukshe らの結果と矛盾しているのかもしれないし、どちらも正しいのかもしれない。なにか、見落としていることがあるのかもしれない。オーキシンを輸送する因子は PIN だけではないことが明らかにされている。   http://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/157707/1/ynogk01932.pdf   紙本博士の研究成果

Auxin, actin and growth of the Arabidopsis thaliana primary root.   Rahman A, Bannigan A, Sulaman W, Pechter P, Blancaflor EB, Baskin TI.   Plant J. 2007 May;50(3):514-28.   PMID: 17419848

イソキサベンと関係のある論文 その他

1) 私の2006年の論文 関連論文として このような論文    Defense Activated by 9-Lipoxygenase-Derived Oxylipins Requires Specific Mitochondrial Proteins.   も出た。ミトコンドリア機能の異常が、間接的にイソキサベンに対する感受性に影響を与える。

1') Enhanced resistance to the cellulose biosynthetic inhibitors, thaxtomin A and isoxaben in Arabidopsis thaliana mutants, also provides specific co-resistance to the auxin transport inhibitor, 1-NPA.   Tegg RS, Shabala SN, Cuin TA, Davies NW, Wilson CR.   BMC Plant Biol. 2013 May 3;13(1):76. [Epub ahead of print]   PMID: 23638731

オーキシン輸送との関連性がある? 1-NPA はオーキシン輸送の阻害剤。 http://repository.kulib.kyoto-u.ac.jp/dspace/bitstream/2433/157707/1/ynogk01932.pdf   紙本博士によって、オーキシン輸送に関わる輸送体の優れた研究が行われている。この場合は ABC タンパク質のタイプである。ABC タンパク質とセルロース繊維の細胞外放出(輸送)に関連がある可能性も想像することができるが、まだ何も証拠はない。しかし調べる価値はあるかもしれない。1-NPA は ABC タンパク質に作用することが示されているが、それ以外の多様なタンパク質にも作用を及ぼしてしまっている可能性は高いので、さらに調べないといけないのだろう。

2) Isoxaben が GFP-KOR1 の細胞内輸送に影響を与えると言うことを示している論文  Korrigan 蛋白質も Isoxaben の影響を受けることを示している。

3) These authors allowed the process of cellulose deposition to be visualized in living cells. Treatment of seedlings with 100nM isoxaben resulted in the rapid loss of YFP:CESA6 particles from the plasma membrane.

4) Manfield IW, Orfila C, Mccartney L, Harholt J, Bernal AJ, Scheller HV, Gilmartin PM, Mikkelsen JD, Paul Knox J, Willats WG.

Novel cell wall architecture of isoxaben-habituated Arabidopsis suspension-cultured cells: global transcript profiling and cellular analysis.

Plant J. 2004 Oct;40(2):260-75.

4) Duval I, Brochu V, Simard M, Beaulieu C, Beaudoin N. Thaxtomin A induces programmed cell death in Arabidopsis thaliana suspension-cultured cells. Planta. 2005 Nov;222(5):820-31. Epub 2005 Jul 15.   

この論文にも isoxaben が出てくる。isoxaben も PCD を引き起こすことが示されている。

細胞内輸送は非常に注目され、多くの優秀な研究者が取り組んでいる分野である。しかしそれらの人々がセルロース合成阻害剤に注目しているとは思えない(2005年12月以降、2007年10月以降は違うかもしれないが)。セルロース合成阻害剤の研究が、細胞内輸送の研究分野に何らかの刺激を与えることが出来れば非常におもしろい。セルロース合成酵素複合体の輸送に関する成果として、2009年に

Cortical microtubules regulate the insertion of cellulose synthase complexes in the plasma membrane.   Farquharson KL.   Plant Cell. 2009 Apr;21(4):1028. Epub 2009 Apr 17. No abstract available.

Pausing of Golgi bodies on microtubules regulates secretion of cellulose synthase complexes in Arabidopsis.   Crowell EF, Bischoff V, Desprez T, Rolland A, Stierhof YD, Schumacher K, Gonneau M, Hofte H, Vernhettes S.   Plant Cell. 2009 Apr;21(4):1141-54. Epub 2009 Apr 17.

すばらしい成果が報告されている。

2014年には、

Gadeyne et al., (2014) Cell, 156, 691-704

というすばらしい論文が出た。


Fucoid algae (ヒバマタ藻類? Pelvetia compressa)の細胞壁合成を isoxaben が阻害するという論文がある。この論文では、DCB はこの生物でセルロース合成を阻害する効果がないと報告されている。しかし論文の最後に微小管を破壊すると書かれている。 DCB や isoxaben の標的分子がはっきりとしていないので、よくわからない。

Planta (2001) 212: 648-658. Cell wall deposition during morphogenesis in fucoid algae. Bisgrove SR and Kropf DL.

しかし異なる藻類に対しては DCB も効果があると言う報告もある。

Tsekos I (1999) J. Phycol. 35: 635-655.