C3トランスフェラーゼ

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序論

C3トランスフェラーゼ（C3）は、緑内障に対する有望な治療候補である。眼圧（IOP）を低下させることに加え、C3は損傷後の網膜神経節細胞（RGC）を保護し、再生を促進し得る。しかし、これらの作用は、C3の作用持続時間が短いこと、および作用分布が不均一であることにより制限されていた。

C3植物におけるPEPC形質転換

C3植物のRubiscoと比較して、C4植物のPEPCは大気中CO₂に対する親和性が高く、O2との競合阻害を受けない。C3植物の初期の遺伝子導入研究では、C4光合成の鍵酵素であるPEPCに焦点が当てられた。植物においてPEPCを20倍に過剰発現させると、細胞質のNADP-ME活性が4～6倍増加し、その結果、葉緑体内でPEPカルボキシル化産物からのCO放出が促進された。

C3植物におけるPEPCK形質転換

C3植物にC4型PEPC酵素遺伝子を発現させることは、C3植物内に細胞内CO₂ポンプを確立するための第一段階にすぎない。PEPCの作用により生成したリンゴ酸またはアスパラギン酸は、細胞間フィラメントを介して葉緑体から維管束鞘細胞の葉緑体へ移行し、葉緑体からのCO₂放出は脱炭酸酵素の種類に依存する。すなわち、ホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼ（PEPCK）またはNADPリンゴ酸酵素により触媒され、最も簡便な経路としてはPEPCKによるOAAの脱炭酸が挙げられる。PEPCK自体は細胞質酵素であるため、葉緑体内での発現を誘導するには、葉緑体移行ペプチド配列の付加も必要となる。

NADP-MEによるC3植物の形質転換

NADP-MEは、NADP-ME型C4光合成経路におけるもう一つの鍵酵素である。維管束鞘細胞の葉緑体に局在するNADP-MEは、リンゴ酸またはアスパラギン酸の脱炭酸反応を触媒する。NADP-ME活性は、クロロフィル含量および光呼吸活性と負の相関を示す。

C3植物におけるPPT形質転換

C4光合成経路を効率的に作動させるには、一連のC4光合成酵素による触媒反応に加え、多様な膜貫通輸送過程が必要である。これには、葉緑体におけるピルビン酸/H⁺共輸送体を介したピルビン酸の取り込み、および葉緑体内で生成したPEPのホスホエノールピルビン酸/リン酸トランスロケーター（PPT）を介した取り込みが含まれる。PPTはC代謝に必須の唯一のトランスポータータンパク質であり、複数の非C4組織からクローニングされている。さらに、C3植物の葉緑体エンドソームおよび非緑色プラスチドにおける低活性が解析されており、これが四炭素ジカルボン酸回路を制限する要因となり得る。

C3植物におけるC4光合成鍵酵素遺伝子の組合せ発現

C3植物におけるC4回路酵素遺伝子の単独過剰発現は、C3植物を高い光利用効率へ遺伝子改変する試みである。しかし、C4回路は複数の酵素およびトランスポータータンパク質の協調作用により成立し、C3植物にも内在性のC回路酵素およびトランスポータータンパク質が存在するものの、それらは活性が低く、発現部位も異なる。したがって、個々の遺伝子発現を増強するだけではC3植物に完全なC4回路は確立されず、C3植物の正常代謝を攪乱するリスクがある。C4酵素はC3植物内でそれぞれ異なる機能を有するため、二遺伝子（transbis）および多遺伝子（poly）植物の解析により、C作物において単細胞C4回路を確立する有効な方策が同定される可能性がある。