大麻パンゲノムが医療および産業利用の可能性を明らかに

2025 年 5 月 28 日

大麻パンゲノムが医療および産業利用の可能性を明らかに

複数年にわたる共同研究により、これまでで最も包括的な大麻植物の遺伝子アーカイブが作成された。

2025 年 5 月 28 日

ラホヤ発—大麻は数千年にわたり、世界的に重要な作物として利用されてきました。今日では、その精神活性カンナビノイドTHC（テトラヒドロカンナビノール）からマリファナとして最もよく知られていますが、歴史的には、大麻は人類文明の礎であり、10,000万年以上もの間、種子油、繊維、そして食料を提供してきました。今日、大麻は十分に研究されておらず、十分に活用されていない資源ですが、2014年と2018年に成立した米国の法律により、医療用、穀物、繊維用途に向けた大麻作物の開発が再び活発化しています。

ソーク研究所の研究者たちは、これまでで最も包括的、高品質、かつ詳細な大麻の遺伝子アトラスを作成しました。研究チームは193種類の大麻ゲノム（遺伝情報の全セット）を解析し、この基礎農業種における前例のない多様性、複雑性、そして未開拓の可能性を明らかにしました。この画期的な成果は、オレゴンCBD、オレゴン州立大学、ハドソンアルファバイオテクノロジー研究所との長年にわたる共同研究の成果です。

に発表された調査結果、 自然 28 年 2025 月 XNUMX 日に発効するこの法案は、大麻をベースとした農業、医療、産業に革新的な進歩をもたらすための土台を築くものです。

「大麻は地球上で最も素晴らしい植物の一つです。少なくとも過去10,000万年間、薬、食料、種子油、繊維の供給源として世界的に重要であったにもかかわらず、XNUMX世紀にわたる法的規制の影響により、現代において最も開発が遅れている主要作物の一つとなっています。」 トッド・マイケル本研究の主任著者であり、ソーク研究所の研究教授でもある、Mike S. は次のように語っています。「私たちのチームは、約200種類もの多様な大麻のゲノムを解析することで、これまでで最も完全な遺伝子地図、すなわちパンゲノムを構築しました。これは、この驚くべき植物の潜在能力がようやく開花し始めたことを示しています。当時と同じ法的規制が、地下育種革命を促し、大麻の化学工場としての力を明らかにしました。この新たなゲノム設計図によって、現代の育種技術を応用し、農業、医療、バイオテクノロジーの分野における新たな化合物や形質の発見が可能になります。」

 

背景：化学の宝庫としての大麻

大麻麻（ヘンプ）は、アジア原産の顕花植物です。大麻には、繊維用の丈夫な繊維を生産する能力や、カンナビノイドを豊富に含む数少ない植物の一つであることから生じる薬効など、人類の歴史を通じて重要な作物として位置づけられてきた多くの独自の特性があります。今日のイノベーターたちは、適切な品種改良によって大麻油がキャノーラ油や大豆油に匹敵する可能性や、大麻由来の原料がジェット燃料の持続可能な代替品として利用できる可能性を示唆しています。

大麻は化学の宝庫です。乾燥重量の30%以上をテルペンとカンナビノイドとして生成します。これらは捕食者から身を守るために植物が生成する微量化学物質ですが、人間は気分転換のために利用しています。テルペンは果物や花に私たちを惹きつける絶妙な香りを生み出し、カンナビノイドは人体と相互作用して多くの治療効果をもたらします。幻覚作用のないカンナビジオール（CBD）は、「シャーロットのウェブ」と呼ばれる品種がてんかん発作の治療に使用されたことで、大麻に対する人々の認識を広げました。CBD、テトラヒドロカンナビノール（THC）、そして十分に研究されていない100種類以上のカンナビノイドは、痛み、関節炎、吐き気、喘息、うつ病、不安など、様々な疾患の治療に使用されてきました。

重要なのは、この品種改良が大麻のゲノム多様性に及ぼした影響が未だ謎に包まれていることです。大麻のゲノムは複雑なため、この謎を解くのは困難です。第一に、大麻は、異なる植物で雌雄が明確に区別できる植物の5%未満に過ぎません。第二に、大麻のゲノムには多くの転移因子が含まれています。転移因子とは、ゲノム内を「飛び移り」うるDNAの反復配列であり、追跡が困難です。

 

主な発見：新しく、驚くほど多様な遺伝子パターン

科学者は、DNAの二重らせん構造を横切って塩基対を形成する核酸の配列をDNA鎖に沿って決定するために、シーケンシングと呼ばれる技術を用いています。従来のショートリードシーケンシング法では、DNAを数百塩基対ずつ切り刻んで解析します。新しいロングリードシーケンシング技術では、 数千 一度に塩基対を。

「ショートリードシーケンシング技術で発見できることには限界があります。ゲノムの複雑な領域、特に反復DNA配列を調べる場合、短い遺伝子断片を意味のある形でつなぎ合わせることは不可能だからです」と、マイケル研究室のポスドク研究員であり、共同筆頭著者のリリアン・パジット＝コブ氏は述べています。「私たちは、このロングリード技術をパンゲノムの文脈で大規模に活用した最初の研究室の一つです。これにより、構造変異や遺伝子配列に関するあらゆる知見が得られ、大麻植物に好ましい形質を育種するための最終的な意思決定に役立つ可能性があります。」

この研究はロングリードシーケンシングを用いた初めての研究ではありません。実際、マイケル自身も2018年にロングリードシーケンシングを用いて大麻の染色体レベルのゲノムを生成した最初の研究者であり、カンナビノイドが合成される複雑な遺伝子構造を明らかにし、抗てんかん薬シャーロットズ・ウェブの育種史を解説しました。この新たな研究が際立っているのは、その網羅性です。これまでで最も多くのゲノムが含まれており、性染色体を含む初めての研究であり、関連してハプロタイプ解析も初めてです。

大麻は 二倍体 植物。これは、ヒトと同様に、雄植物から受け継いだ染色体と雌植物から受け継いだ染色体の2セットを含むことを意味します。これまでに公開されたゲノムのほとんどは、1つの染色体しか解読できず、これはハプロタイプ解析とも呼ばれますが、研究チームは 両言語で 大麻の染色体セット。両方の染色体セットを調べた結果、研究者たちは前例のない量の遺伝的変異を発見しました。その量はおそらく人間の20倍にも達するでしょう。

「このハプロタイプの解析により、親植物の 1 つから何が受け継がれたかを調べ、その植物の育種と背景を理解し始めることができます」とパジット コブ氏は説明します。

研究チームは、世界中から144種類の大麻植物のゲノムを収集し、合計193のゲノムをアセンブルしました。そのうち181はこれまでカタログ化されていなかったものです。ゲノムの総数は、ハプロタイプ解析によって植物の総数よりも多くなっています。これは、調査対象となったXNUMXつの染色体セットを持つ各植物がXNUMXつのゲノムアセンブリを生成したためです。これらの多数のゲノムは総じてパンゲノムを構成し、大麻種における遺伝的多様性の全容を理解するために解析されました。

収集されたゲノムの高品質により、研究者らは、カンナビノイド合成を担う遺伝子の構造など、これまで見えなかった遺伝子パターンを解明することができ、性染色体も組み込むことで、大麻のY染色体を初めて観察することができました。

彼らの最初の発見は、種の中に予想外の多様性が存在するということだった。パンゲノム全体にわたって、遺伝子の23%がすべてのゲノムに存在し、55%が ほぼ 普遍的遺伝子（ゲノムの95～99%に見られる）、21%はゲノムの5～94%に見られ、完全にユニークな遺伝子は1%未満でした。最も普遍的な遺伝子の中には、カンナビノイドを生成する遺伝子もありました。

カンナビノイド遺伝子はゲノム全体で一貫しているものの、脂肪酸代謝、成長、防御に関連する遺伝子は異なっていました。これらの変異遺伝子は未開拓の育種プールであり、それらの選択的育種によって、大麻を圃場でより強健に育てたり、ヘンプオイルの栄養価を向上させて既存の種子油と競合できるものにしたりできる可能性があります。特に、研究チームは、脂肪酸生合成経路における構造的変異が、非精神活性で活力を与える効果で注目を集めている希少なバリン型カンナビノイドであるテトラヒドロカンナビバリン（THCV）の生成に寄与することを発見しました。

研究者らは、パンゲノム全体にわたるカンナビノイド遺伝子を詳細に解析した結果、THCAS遺伝子とCBDAS遺伝子という2つの遺伝子が、THCおよびCBD含有量を目的とした人為的育種によって強い選択圧を受けている可能性が高いと結論付けました。重要なのは、カンナビノイド遺伝子が転移因子に存在することを発見したことです。これらの「ジャンピング」転移因子内の遺伝子を狙った選択的育種は、大麻草に計り知れない多様性をもたらしました。

 

将来を見据えて：健康と産業のための植物の最適化

研究者らは、農業の最適化に向けた興味深いターゲットも特定しました。まず、ヨーロッパとアジアのゲノムの違いを調べた結果、アジアのどこかに発見されるのを待っている古代の大麻の近縁種が存在する可能性が高いという結論に至りました。この野生近縁種は、その固有の環境史に関連した新たな遺伝的適応を有していると考えられ、より耐性のある作物となる大麻の育種にとって貴重な情報源となります。

最後に、性染色体に関する新たな知見により、遺伝子が存在することが明らかになった。 の より優れた子孫を育種するために利用できる「父」植物に存在する遺伝子。現代のマリファナ育種では「雌化」が活用されています。これは、農家が雌植物に雄花を咲かせるように誘導する手法で、Y染色体を完全に迂回するものです。これらの新たな発見は、育種プログラムが、迂回された雄ゲノムにコードされている貴重な遺伝的多様性と形質の可能性を見落としている可能性を示唆しています。真の雄植物を育種戦略に組み込むことで、これまで見過ごされてきた遺伝的利益を解き放ち、作物の改良の機会を拡大できる可能性があります。

「過去10年間で、育種家たちはすでに収穫量を増やし、大麻を経済的に採算の取れる作物にするという大きな成果を上げてきました」と、マイケル研究室のポスドク研究員であり、論文の共同筆頭著者であるライアン・リンチは述べています。「市場の関心が高まり、育種活動の指針となる大麻ゲノムに関する新たな知見が得られれば、大麻と大麻オイルは、人間の健康と産業用途の両方で大きく成長すると見ています。」

短期的には、研究チームは、パンゲノムが世界中の研究者にとって、栽培戦略を立てる上でのダイナミックなリソースとなり、繊維、種子油、薬用に栽培される貴重な多目的作物としての大麻の潜在能力の実現に役立つことを期待しています。

 

この論文の詳細

他の著者には、Salk の Nolan Hartwick、Nicholas Allsing、Anthony Aylward、Allen Mamerto、Justine Kitony、Kelly Colt、Emily Murray、Tiffany Duong、Heidi Chen、Oregon CBD の Andrea Garfinkel、Aaron Trippe、Seth Crawford、オレゴン州立大学の Brian Knaus と Kelly Vining、HudsonAlpha Institute for Biotechnology の Philip Bentz、Sarah Carey、Alex Harkess が含まれます。

この研究は、Tang genomics fund、国立科学財団 (NSF-IOS PRFB 2209290、IOS-PGRP CAREER 2236530)、ビル&メリンダ・ゲイツ財団 (INV-040541)、米国農務省 (USDA NIFA 2022-67012-38987、USDA NIFA 2023-67013-39620) の支援を受けて実施されました。

DOI： 10.1038/s41586-025-09065-0