セレン耐性菌を用いたセレン代謝機構の解明

• Project/Area Number: 19K05819
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 38030:Applied biochemistry-related
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: 戸部 隆太 立命館大学, 生命科学部, 講師 (00758823)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2019: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
• Keywords: Selenium / Bacteria / Selenite / Selenate / Reductase / セレン代謝 / セレンオキシアニオン / セレン粒子 / セレンタンパク質 / 微生物

Outline of Research at the Start

セレン（Se）は、ヒトをはじめ多くの生物にとって必須微量元素の１つである。しかし、その代謝経路の全容解明には、まだ遠い段階にある。研究代表者は、これまでの研究によって、哺乳類ではチオレドキシン（Trx）還元酵素（TrxR）やグルタチオン（GSH）が Se 代謝に深く関与することを見出した。同時に、細菌には、セレンタンパク質や GSH の合成系を持たないもの、あるいは複数の Trx および TrxR を有するものが存在することを確認している。そこで本研究では、Se 代謝の特性が異なる 3 種の Se 耐性細菌を実験モデルとして、生物における Se 代謝メカニズムの解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

セレン (Se) は、ヒトをはじめ多くの生物にとって必須微量元素の１つであり、ヒトでは不足しても過剰にあっても重大な障害ももたらす。その代謝経路を解明するため欧米を中心に活発な研究が進んでいるが、全容解明には遠い段階にある。本研究では、Se 代謝の特性が異なる 3 種の Se 耐性細菌（Pseudomonas sp. F2a 株、Bacillus sp. NTP-1 株、Cellulomonas sp. D3a 株）を実験モデルとして、生物における Se 代謝メカニズムの解明を目指した。これらの菌株は、大腸菌や近縁菌よりもはるかに優れた Se オキシアニオン耐性能・還元能を有し、余剰 Se オキシアニオンを Se ナノ粒子として細胞外に排出する。これら菌株の全ゲノム配列を解読し、解析した結果、F2a株のみがセレンタンパク質合成系（同化能）を有することが推測された。一方、NTP-1株およびD3a株は、ゲノム上にセレンタンパク質合成系の遺伝子を持たず、Se オキシアニオンの異化的還元能のみを有すると考えられた。
Cellulomonas sp. D3a 株の亜セレン酸還元特性を解析した結果、好気下では、富栄養培地および最少培地のいずれにおいても、本菌の生育は亜セレン酸の添加により著しく阻害された。しかし、嫌気下では、富栄養培地においては高い亜セレン酸耐性能および還元能を示し、最少培地では亜セレン酸の添加濃度依存的な生育が認められた。一方で、亜セレン酸と化学的に類似するオキシアニオンを最少培地にそれぞれ添加した場合では、本菌の生育は認められなかった。このことより、本菌はグルコースを基質、亜セレン酸を最終電子受容体とする亜セレン酸呼吸システムを有することが示唆された。本菌の亜セレン酸還元酵素を同定するために、ランダム変異を導入し、亜セレン酸還元能欠損株を複数獲得した。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Thapar Inst. Eng. & Tech.(インド)
• [Journal Article] Selenite uptake by outer membrane porin ExtI and its involvement in the subcellular localization of rhodanese-like lipoprotein ExtH in Geobacter sulfurreducens (2019)
  • Author(s): Jahan MI, Juengwiwattanakitti P, Izu Y, Tobe R, Imai T, Mihara H
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 516 Issue: 2 Pages: 474-479
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2019.06.037
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Comparative Biochemical Characterization of L-Asparaginases from Four Species of Lactic Acid Bacteria (2019)
  • Author(s): Phetsri K, Furukawa M, Yamashiro R, Kawamura Y, Hayashi J, Tobe R, Toyotake Y, Wakayama M
  • Journal Title: Journal of Biotechnology and Biomedicine Volume: 2 Issue: 03 Pages: 112-124
  • DOI: 10.26502/jbb.2642-91280015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Partial purification and characterization of glyoxylate dehydrogenase from Acetobacter aceti JCM20276 (2019)
  • Author(s): Jakkaphan K, Tobe R, Mihara H
  • Journal Title: Trace Nutrients Research Volume: 36 Pages: 81-86
  • NAID: 130008128642
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 必須微量元素セレンの生理作用と代謝 ～セレンタンパク質の機能とセレン代謝～ (2019)
  • Author(s): 戸部隆太、三原久明
  • Journal Title: 化学と生物 Volume: 57 Pages: 366-372
  • NAID: 130007849999
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Bacillus sp. NTP-1 株の新奇 dimethyl sulfoxide reductase family 酵素の機能解析 (2019)
  • Author(s): 戸部隆太、葛野侑香、藤田大樹、田中佑樹、武田陽一、小椋康光、 N. Tejo Prakash、三原久明
  • Organizer: 日本微量栄養素学会
• [Presentation] 細菌および動植物におけるセレンの代謝とセレンタンパク質の解析 (2019)
  • Author(s): 戸部隆太
  • Organizer: 日本微量元素学会
  • Invited
• [Presentation] Geobacter sulfurreducens のマルチヘムセレンタンパク質型亜セレン酸還元酵素の機能・構造解析 (2019)
  • Author(s): 戸部隆太、吉澤拓也、伊豆由紀子、吉村文太、松村浩由、三原久明
  • Organizer: 第５回 日本セレン研究会
• [Presentation] タンパク質の工学的創製と高活性セレンタンパク質 (2019)
  • Author(s): 戸部 隆太、川上 百香、三原 久明
  • Organizer: メタルバイオサイエンス研究会 2019
  • Invited
• [Presentation] Function and structure of multiheme-containing selenoprotein (2019)
  • Author(s): Ryuta Tobe, Takuya Yoshizawa, Yukiko Izu, Mst. Ishrat Jahan, Bunta Yoshimura, Hiroyoshi Matsumura, and Hisaaki Mihara
  • Organizer: 8th International Selenium Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] セレン耐性菌 Cellulomonas sp. D3a 株における亜セレン酸還元機構の解析 (2019)
  • Author(s): 戸部隆太、牧村康平、坂本暁紀、Tejo N. Prakash、三原久明
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度大会
• [Remarks] 立命館大学 生命科学部
  • URL: http://www.ritsumei.ac.jp/ls/
• [Remarks] 立命館大学 生命科学部 応用分子微生物学研究室
  • URL: https://mihalab2018.wixsite.com/mihalab