Deciphering the structural diversification mechanism by terpene synthase

• Project/Area Number: 16H03277
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Biomolecular chemistry
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Minami Atsushi 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (40507191)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥19,110,000 (Direct Cost: ¥14,700,000、Indirect Cost: ¥4,410,000); Fiscal Year 2018: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2017: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2016: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000)
• Keywords: 天然物 / セスタテルペン環化酵素 / 分子系統樹解析 / 生合成 / 酵素 / 天然物化学

Outline of Final Research Achievements

Sesterterpene synthase identified from fungi are a class-I terpene synthase, which catalyzes the formation of macrocyclic rings fused with a cyclopentane moiety. The key cyclization mechanism has been extensively studied through heterologous expression, mutational analysis, and DFT calculations. The difference between cyclization mechanisms is consistent with phylogenetic analysis of those sesterterpene synthases, suggesting that phylogenetic analysis provides a useful guideline for the prediction of cyclization products. The generality of this guideline was demonstrated by functional analysis of fungal sesquiterpene synthases.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

テルペン環化酵素によって構築される天然有機化合物の中には、医薬品や香料などとして利用されているものが多い。抗マラリア剤として利用されているアルテミシニンが代表的な例である。本研究により、分子系統樹解析を用いて標的遺伝子を選択することで構造類縁体の網羅的かつ集中的な生産が可能であることが明らかになったため、将来的には、指数関数的に増加する遺伝子情報の中から新たな医薬品シードとなる環化体を与える酵素遺伝子を論理的に探索できるようになると考えている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Peking University(China)
• [Int'l Joint Research] CSIR-National Chemical Laboratory(India)
• [Journal Article] Cyclopentane forming di-/sesterterpene synthases: widely distributed enzymes in bacteria, fungi and plants (2018)
  • Author(s): Minami, A.; Ozaki, T.; Liu, C.; Oikawa, H.
  • Journal Title: Nat. Prod. Rep. Volume: 35 Issue: 12 Pages: 1330-1346
  • DOI: 10.1039/c8np00026c
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Theoretical Study of Sesterfisherol Biosynthesis: Computational Prediction of Key Amino Acid Residue in Terpene Synthase (2018)
  • Author(s): Sato Hajime、Narita Koji、Minami Atsushi、Yamazaki Mami、Wang Chao、Suemune Hironori、Nagano Shingo、Tomita Takeo、Oikawa Hideaki、Uchiyama Masanobu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 2473-2473
  • DOI: 10.1038/s41598-018-20916-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Total Biosynthesis of Antiangiogenic Agent (-)-Terpestacin by Artificial Reconstitution of the Biosynthetic Machinery in Aspergillus oryzae (2018)
  • Author(s): Narita Koji、Minami Atsushi、Ozaki Taro、Liu Chengwei、Kodama Motoichiro、Oikawa Hideaki
  • Journal Title: The Journal of Organic Chemistry Volume: 83 Issue: 13 Pages: 7042-7048
  • DOI: 10.1021/acs.joc.7b03220
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 糸状菌テルペン環化酵素遺伝子のゲノムマイニングによる新規天然物の生産 (2018)
  • Author(s): 南 篤志、尾﨑太郎、劉 成偉、及川英秋
  • Journal Title: バイオサイエンスとインダストリー Volume: 76 Pages: 20-25
  • NAID: 40021446308
• [Journal Article] Focused genome mining of structurally related sesterterpenes: enzymatic formation of enantiomeric and diastereomeric products (2017)
  • Author(s): Narita, K., Sato, H., Minami, A., Kudo, K., Gao, L., Liu, C., Ozaki, T., Kodama, M.., Lei, X., Taniguchi, T., Monde, K., Yamazaki, M., Uchiyama, M., Oikawa, H.
  • Journal Title: Organic letters Volume: 19 Issue: 24 Pages: 6696-6699
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.7b03418
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cyclization mechanism of phomopsene synthase: mass spectrometry based analysis of various site-specifically labeled terpenes (2017)
  • Author(s): Shide, S. S.; Minami, A.; Chen, Z.; Tokiwano, T.; Toyomasu, T.; Kato, N.; Sassa, T.; Oikawa, H.
  • Journal Title: The Journal of Antibiotics Volume: 印刷中 Issue: 5 Pages: 632-638
  • DOI: 10.1038/ja.2017.27
  • NAID: 120006360075
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 担子菌がもつセスキテルペン環化酵素の網羅的解析－1－ (2019)
  • Author(s): 西下純平・長嶺翔太・小崎拓登・劉成偉・尾﨑太郎・丸山潤一・南篤志・及川英秋
  • Organizer: 日本化学会 第99春季年会 (2019)
• [Presentation] 担子菌がもつセスキテルペン環化酵素の網羅的解析－2－ (2019)
  • Author(s): 長嶺翔太・西下純平・劉成偉・尾﨑太郎・丸山潤一・南篤志・及川英秋
  • Organizer: 日本化学会 第99春季年会 (2019)
• [Presentation] キノコ由来テルペン系天然物の汎用的な生産法の開発 -1- (2019)
  • Author(s): 劉 成偉、佐藤 芳郎、尾崎 太郎、呉 静、丸山 潤一、南 篤志、河岸 洋和、及川 英秋
  • Organizer: 日本農芸化学会2019年度大会
• [Presentation] キノコ由来テルペン系天然物の汎用的な生産法の開発 -2- (2019)
  • Author(s): 西下 純平、長嶺 翔太、小崎 拓登、劉 成偉、尾崎 太郎、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本農芸化学会2019年度大会
• [Presentation] キノコ由来テルペン系天然物の汎用的な生産法の開発 -3- (2019)
  • Author(s): 長嶺 翔太、西下 純平、劉 成偉、尾﨑 太郎、丸山 潤一、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本農芸化学会2019年度大会
• [Presentation] Unique enzymes in the biosynthesis of terpenoids (2018)
  • Author(s): Minami, A., Ozaki, T., Oikawa, H.
  • Organizer: 1st German-Japanese Joint Symposium on Natural Product Biosynthesis
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 麹菌発現系を利用した構造類似テルペンの網羅的ゲノムマイニング (2017)
  • Author(s): 成田興司、工藤洸星、叶英、南篤志、児玉基一郎、五味勝也、及川英秋
  • Organizer: 日本農芸化学会2017年度大会
  • Place of Presentation: 京都女子大学（京都府、京都市）
  • Year and Date: 2017-03-19
• [Presentation] Reconstitution of biosynthetic machinery of fungal secondary metabolites (2017)
  • Author(s): Minami Atsushi
  • Organizer: 日本化学会第９７春季年会
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学日吉キャンパス（神奈川県、横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-18
  • Invited
• [Presentation] ニ機能性環化酵素遺伝子の相同性に基づく新規テルペノイドのゲノムマイニング (2017)
  • Author(s): 成田興司，叶英，佐藤玄，工藤洸星，高磊，南篤志，谷口透，児玉基一朗，五味勝也，門出健次，内山真伸，Xiaoguang Lei，及川英秋
  • Organizer: 第59回天然有機化合物討論会
• [Presentation] 麹菌異種発現系を利用した糸状菌由来二次代謝産物の生合成研究 (2017)
  • Author(s): 南 篤志, 及川 英秋
  • Organizer: 第69 回日本生物工学会大会
  • Invited
• [Presentation] 生物活性セスタテルペノイドの異種生産によるゲノムマイニング (2016)
  • Author(s): 成田興司、工藤洸星、南篤志、児玉基一郎、五味勝也、及川英秋
  • Organizer: 第60回 香料・テルペンおよび精油化学に関する討論会
  • Place of Presentation: 東京農業大学オホーツクキャンパス（北海道、網走市）
  • Year and Date: 2016-10-30
• [Presentation] 酵素を使った天然物合成 ～セスタテルペン合成酵素に関するごく最近の知見～ (2016)
  • Author(s): 南篤志
  • Organizer: 第６回有機分子構築法 夏の勉強会
  • Place of Presentation: 波賀不動滝公園 楓香荘（兵庫県、宍粟市）
  • Year and Date: 2016-05-22