중쇄지방산은 탄소수가 8-12개로 구성된 포화지방산으로, 장쇄지방산과 달리 인체내 흡수가 빠르고 분해가 빨리 일어나 체지방으로 축적되지 않으면서 열효율이 높아 소화장애환자의 식이요법에 이용된다. 또한 최근 의료분야의 위장침투향상기술에 중쇄지방산 또는 중쇄지방산 유도물질이 사용되며, 이 기술은 최첨단 약물전달시스템 분야에 매우 중요하게 적용되고 있다. 이처럼 효용가치가 높은 중쇄지방산 기름은 아열대작물인 코코넛, 팜 그리고 쿠페아 종자에서 주로 생산되고 있는데, 기름함량이 적고 재배가 까다로워 상업적 이용의 어려움이 있다. 이러한 이유로 재배지역이 넓고 재배가 용이한 유채의 종자에서 중쇄지방산을 생산하고 함량을 증대시키기 위해 그 동안 많은 연구가 수행되어 왔다. 지금까지 밝혀진 중쇄지방산 생산에 관여하는 유전자는 크게 Thioesterase(지방산 사슬 길이), KAS(지방산 사슬 연장), 그리고 Acyltransferase(지방산 전이)로 알려져 있다. 이러한 유전자를 단독 또는 동시에 유채에 형질전환 한후, 여기에서 얻어진 형질전환체 계통을 이용하여 고전육종과 분자육종의 병행을 통해 유채 종자에서 중쇄지방산인 Laurate함량이 60 mol%까지 축적되는 결과를 얻었다. 또한 Caprylate와 Caprate함량은 각 각 8 mol%와 27 mol%까지 축적되었다. 비록 유채 종자에서 일부 중쇄지방산의 생산이 성공적으로 생산되는 결과를 얻었다 할지라도 실제 상업적으로 이용하려면 중쇄지방산 함량이 더 많이 생산되어야 한다. 본 총설에서는 지금까지 유채 종자 내에서 중쇄지방산이 생산된 연구결과를 면밀히 살펴보았고, 향후 연구방향에 대해 간략하게 논하였다.
중쇄지방산은 탄소수가 8-12개로 구성된 포화지방산으로, 장쇄지방산과 달리 인체내 흡수가 빠르고 분해가 빨리 일어나 체지방으로 축적되지 않으면서 열효율이 높아 소화장애환자의 식이요법에 이용된다. 또한 최근 의료분야의 위장침투향상기술에 중쇄지방산 또는 중쇄지방산 유도물질이 사용되며, 이 기술은 최첨단 약물전달시스템 분야에 매우 중요하게 적용되고 있다. 이처럼 효용가치가 높은 중쇄지방산 기름은 아열대작물인 코코넛, 팜 그리고 쿠페아 종자에서 주로 생산되고 있는데, 기름함량이 적고 재배가 까다로워 상업적 이용의 어려움이 있다. 이러한 이유로 재배지역이 넓고 재배가 용이한 유채의 종자에서 중쇄지방산을 생산하고 함량을 증대시키기 위해 그 동안 많은 연구가 수행되어 왔다. 지금까지 밝혀진 중쇄지방산 생산에 관여하는 유전자는 크게 Thioesterase(지방산 사슬 길이), KAS(지방산 사슬 연장), 그리고 Acyltransferase(지방산 전이)로 알려져 있다. 이러한 유전자를 단독 또는 동시에 유채에 형질전환 한후, 여기에서 얻어진 형질전환체 계통을 이용하여 고전육종과 분자육종의 병행을 통해 유채 종자에서 중쇄지방산인 Laurate함량이 60 mol%까지 축적되는 결과를 얻었다. 또한 Caprylate와 Caprate함량은 각 각 8 mol%와 27 mol%까지 축적되었다. 비록 유채 종자에서 일부 중쇄지방산의 생산이 성공적으로 생산되는 결과를 얻었다 할지라도 실제 상업적으로 이용하려면 중쇄지방산 함량이 더 많이 생산되어야 한다. 본 총설에서는 지금까지 유채 종자 내에서 중쇄지방산이 생산된 연구결과를 면밀히 살펴보았고, 향후 연구방향에 대해 간략하게 논하였다.
Medium-chain fatty acids (MCFA) are composed of 8-12 carbon atoms, and are found in coconut, cuphea, and palm kernel oil. MCFA were introduced into clinical nutrition in the 1950s for dietary treatment of malabsorption syndromes because of their rapid absorption and solubility. Recently, MCFA have b...
Medium-chain fatty acids (MCFA) are composed of 8-12 carbon atoms, and are found in coconut, cuphea, and palm kernel oil. MCFA were introduced into clinical nutrition in the 1950s for dietary treatment of malabsorption syndromes because of their rapid absorption and solubility. Recently, MCFA have been applied to Gastrointestinal Permeation Enhancement Technology (GIPET), which is one of the most important parts in drug delivery system in therapeutics. Therefore, to accumulate the MCFA in seed oil of rapeseed, much effort has been conducted by classical or molecular breeding. Laurate can be successfully accumulated up to 60 mol% in the seed oil of rapeseed by the expression of bay thioesterase (Uc FatB1) alone or crossed with a line over-expressing the coconut lysophosphatidic acid acyltransferase (LPAAT) under the control of a napin seed-storage protein promoter. Also, caprylate and caprate were obtained 7 mol% and 29 mol%, respectively, from plants over-expressing of the medium-chain specific thioesterase (Ch FatB2) alone or together with the chain-length-specific condensing enzyme (Ch KASIV). Despite the success of some research in utilizing parallel classical and molecular breeding to produce MCFA, commercially available seed oils have for the most part, not been realized. Recent research in the field of developing MCFA-enriched transgenic plants has established that there is no single rate-limiting step in the production of the target fatty acids. The purpose of this article is to review some of the recent progress in understanding the mechanism and regulation of MCFA production in seed oil of rapeseed.
Medium-chain fatty acids (MCFA) are composed of 8-12 carbon atoms, and are found in coconut, cuphea, and palm kernel oil. MCFA were introduced into clinical nutrition in the 1950s for dietary treatment of malabsorption syndromes because of their rapid absorption and solubility. Recently, MCFA have been applied to Gastrointestinal Permeation Enhancement Technology (GIPET), which is one of the most important parts in drug delivery system in therapeutics. Therefore, to accumulate the MCFA in seed oil of rapeseed, much effort has been conducted by classical or molecular breeding. Laurate can be successfully accumulated up to 60 mol% in the seed oil of rapeseed by the expression of bay thioesterase (Uc FatB1) alone or crossed with a line over-expressing the coconut lysophosphatidic acid acyltransferase (LPAAT) under the control of a napin seed-storage protein promoter. Also, caprylate and caprate were obtained 7 mol% and 29 mol%, respectively, from plants over-expressing of the medium-chain specific thioesterase (Ch FatB2) alone or together with the chain-length-specific condensing enzyme (Ch KASIV). Despite the success of some research in utilizing parallel classical and molecular breeding to produce MCFA, commercially available seed oils have for the most part, not been realized. Recent research in the field of developing MCFA-enriched transgenic plants has established that there is no single rate-limiting step in the production of the target fatty acids. The purpose of this article is to review some of the recent progress in understanding the mechanism and regulation of MCFA production in seed oil of rapeseed.
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성능/효과
앞에서 언급한 Lauric acid 함량이 크게 증가된 유채 기름의 TAG을 분석한 결과, 글리세롤의 첫번째(sn-1)와 세번째(sn-3)에서만 Lauric acid가 결합되어 있었고, 두번째(sn-2)에는 Lauric acid가 전혀 결합되어 있지 않았다[Voelker 등, 1996]. 그래서 글리세롤의 두번째 결합에 관여하는 LPAAT는 기질특이성이 매우 높으며, 종자 기름내 지방산 조성에 영향을 크게 미치는 효소로 간주되었다. 이것은 코코넛에서 분리한 LPAAT6)를 TE 유전자(UcFatB1)가 형질전환된 유채에 추가적으로 형질전환을 실시한 결과, TE 유전자만 단독으로 발현된 개체에서의 Lauric acid 함량이 14-31%인 반면, 두 개의 유전자가 동시에 발현된 개체의 Lauric acid 함량이 50-54%까지 증대된 연구결과로 입증되었다[Kuntzon 등, 1999].
또 다른 쿠페아 속(屬)에 속하는 C. lanceolata에서 분리한 TE 유전자인 ClFatB3를 형질전환 한 결과, 유채 종자내 전체 기름함량 중에 C8:0과 C10:0이 각 각 1%와 3% 축적된 반면, 또 다른 TE 유전자인 ClFatB4를 형질전환 한 결과, Myristic acid(C14:0)과 Palmitic acid(C16:0)이 각 각 7%와 15% 축적되었다[Töpfer 등, 1995].
지방산 대사는 엽록체 안에서 시작되며 Oleate(18:1)이 합성되면 조포체(Endoplasmic reticulum)로 넘어가 지방산 사슬 길이가 증대되거나 이중결합이 첨가되면서 불포화도가 높아지게 된다. 엽록체 시그널 펩타이드를 예측하는 ChloroP 1.1(http://www.cbs.dtu.dk/services/ChloroP) 프로그램을 이용하여 종(種)간 SP의 유전적 거리를 살펴본 결과, 고도의 양의 상관관계가 있음을 알 수 있었다(Data not shown). 따라서 외래 종(種) 유래 중쇄지방산 관련 단백질의 CP를 유채 유래 엽록체 CP로 대체(代替)할 경우 목적단백질의 제 기능을 향상시켜 결과적으로 중쇄지방산 함량을 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다.
유채 종실 특이 발현 프로모터로 가장 널리 이용되는 Napin 유전자의 발현시기는 대략 25~45 DAF(Days after flowering)에 해당된다. 유채 종실내 지방산 조성별 생합성 시기를 조사한 결과, Palmitate(16:0)의 경우 10~15DAF에서 약 16.6 mol%까지 생산되다가 그 이후 점차 감소하여 완전 성숙한 종실에서 약 3 mol%가 축적됨을 알 수 있었다(Data not shown). 따라서 유채 종실에서의 중쇄지방산 함량을 증대시키기 위한 연구전략 중의 일환으로 종실 초기 특이 발현 프로모터를 이용하여 중쇄 지방산 생합성 관련 유전자의 발현시기를 조절하는 것도 고려해 볼 만하다고 사료된다.
palustris에서 분리한 TE 유전자를 동시에 유채에 발현시켰을 때, TE 유전자만 단독으로 발현시켰을 때 보다 중쇄지방산(C8:0과 C10:0)의 함량이 전체 기름의 평균 40%이상이 축적되었다고 보고한 바 있다. 이러한 연구결과들을 종합적으로 분석하여 보면 지방산 사슬길이 연장에 관여하며 고유의 기질특이성을 나타내는 KAS 유전자들을 유채에서 과발현시킬 경우 관련 지방산의 함량이 증대되는 것을 알 수 있었다.
한편, DAG에 결합된 중쇄지방산의 분포도를 보면 종자성숙도에 큰 영향을 받지 않고 일정비율이 유지되는 것으로 보인다. 지금까지의 연구결과를 종합해보면, 유채 형질전환체 종자 기름에는 Caprylic acid와 Lauric acid가 결합된 중성지질(TAG와 DAG)과 PC가 존재하는 반면 Capric acid는 거의 존재하지 않는 것으로 보여진다. 그리고 Lauric acid가 글리세롤의 첫번째(sn-1)와 세번째(sn-3) 뿐만 아니라 LPAAT에 의해 글리세롤의 두번째(sn-2)에 결합되는 반면, Caprylic acid와 Capric acid는 글리세롤의 세번째(sn-3)에서만 결합되어지는 것이 발견되었다[Wiberg 등, 2000].
후속연구
그리고 Lauric acid가 글리세롤의 첫번째(sn-1)와 세번째(sn-3) 뿐만 아니라 LPAAT에 의해 글리세롤의 두번째(sn-2)에 결합되는 반면, Caprylic acid와 Capric acid는 글리세롤의 세번째(sn-3)에서만 결합되어지는 것이 발견되었다[Wiberg 등, 2000]. 따라서 유채 형질전환체의 종자에 중쇄지방산 함량을 증대시키기 위해서 i) Cuphea 속의 TAG 형성 기작에 관여하는 AT를 분리하여 유채에 각 각 형질 전환 한 뒤, 중쇄지방산 축적능이 좋은 계통을 선발하여 고전 육종에 의한 방법으로 우수 품종을 육성하는 접근방법과 ii) 유채를 포함한 Brassica과에 속하는 종의 유전자원 중에 중쇄지방산 생산능이 우수한 계통을 선발하여 유채와의 교잡육종을 통해 글리세롤과 중쇄지방산과의 결합력이 증진된 계통을 육성하는 방법을 병행하여 추진한다면 고함량 중쇄지방산 생산 유채를 생산할 수 있을 것으로 기대한다.
dk/services/ChloroP) 프로그램을 이용하여 종(種)간 SP의 유전적 거리를 살펴본 결과, 고도의 양의 상관관계가 있음을 알 수 있었다(Data not shown). 따라서 외래 종(種) 유래 중쇄지방산 관련 단백질의 CP를 유채 유래 엽록체 CP로 대체(代替)할 경우 목적단백질의 제 기능을 향상시켜 결과적으로 중쇄지방산 함량을 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다.
이 외에도 유채 종실에 존재하는 FatB 단백질을 이용한 기질특이성 변화 유도를 위해 아미노산 변경, 아미노산 치환 등 단백질 공학적 접근 전략도 고려해 볼 필요가 있을 것이다.
지금까지 보고된 연구결과를 살펴보면 이종(異種)의 TE 유전자를 유채에서 발현시켰을 때 TE 유전자별 유채에 존재하는 기질과의 특이성에 차이가 있다는 것을 유추할 수 있겠고, 또한 현재까지 알려진 엽록체내 중쇄지방산 생합성 기작 이외의 다른 생합성 경로가 있는지에 관해 면밀한 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중쇄지방산 생산에 관여하는 유전자는?
이러한 이유로 재배지역이 넓고 재배가 용이한 유채의 종자에서 중쇄지방산을 생산하고 함량을 증대시키기 위해 그 동안 많은 연구가 수행되어 왔다. 지금까지 밝혀진 중쇄지방산 생산에 관여하는 유전자는 크게 Thioesterase(지방산 사슬 길이), KAS(지방산 사슬 연장), 그리고 Acyltransferase(지방산 전이)로 알려져 있다. 이러한 유전자를 단독 또는 동시에 유채에 형질전환 한후, 여기에서 얻어진 형질전환체 계통을 이용하여 고전육종과 분자육종의 병행을 통해 유채 종자에서 중쇄지방산인 Laurate함량이 60 mol%까지 축적되는 결과를 얻었다.
중쇄지방산의 주요 공급원인 팜나무와 코코넛 나무의 품종개량에서의 한계는?
그러나, 중쇄지방산의 주요 공급원인 팜나무와 코코넛나무의 품종개량에는 많은 한계가 있다. 교잡육종에 많은 시간이 소요되며, 유전자원이 다양하지 않아 유전변이 폭이 적다. 1980년대 담배에서 형질전환이 보고된 이후, 유전적 한계를 벗어나 새로운 유전변이 창출이 가능한 생명공학기술이 작물육종에 도입되어 왔고, 실질적으로 식물분자육종방법은 작물개량에 많은 기여를 해 오고 있다.
중쇄지방산의 이화학적 특성은?
지방산은 각 각의 고유한 화학적 · 물리적 특성을 가지고 있으며, 이 특성에 따라 이용범위가 결정된다. 탄소수가 8-12개이며 이중결합이 없는 중쇄지방산은 상온에서 색이 없고, 투명하며, 특정한 맛도 없고, 향기도 없으며, 점도가 낮아 ‘물과 같은’ 액체로 존재하는 물리적 특성이 있다. 또한 중쇄지방산은 탄소길이가 짧아 장(intestine)에서 흡수가 빠르며 장쇄지방산에 비해 열효율이 높고 체지방으로 거의 축적되지 않는 특성이 있다[Takeuchi 등, 2008].
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