Micromechanisms of saxitoxin biosynthetic intermediate transport and biosynthesis in dinoflagellates

• Project/Area Number: 19K06232
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 40040:Aquatic life science-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Cho Yuko 東北大学, 農学研究科, 助教 (60323086)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 日出間 志寿 福島県立医科大学, 医学部, 助教 (30241558) ; 小池 一彦 広島大学, 統合生命科学研究科(生), 教授 (30265722)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 生理活性物質 / 生合成 / サキシトキシン / 輸送 / 渦鞭毛藻 / 細胞内局在 / 麻痺性貝毒 / LCMS / 免疫染色 / LC/MS / 安定同位体標識 / 免疫電顕 / 3'非翻訳領域 / オルガネラ / 中間体 / 環境

Outline of Research at the Start

サキシトキシンは神経伝達に重要なナトリウムチャネルの阻害剤であり、海産渦鞭毛藻というプランクトンが生産する。有毒渦鞭毛藻を摂取した二枚貝に蓄積し、毒化二枚貝を食べたヒトに麻痺性の中毒をひきおこす。近年海洋の開発や温暖化によりこの有毒プランクトンの出現海域が拡大傾向にあり、環境変化に応じて渦鞭毛藻のサキシトキシン生合成にも変化がみられる。生合成前駆体であるアミノ酸や中間体の細胞内での輸送に環境変化が影響を及ぼすのではないかと思われるがこれまでに研究例がない。そこで輸送体や生合成マシナリーを探索し、それらの機能と微細な構造を解明することで、環境変化による毒性の変化を予測する基礎的情報を収集する。

Outline of Final Research Achievements

1. Metabolomics of the inhibitor-supplemented system: Toxic dinoflagellates were　cultured in medium supplemented with stable isotope-labeled sodium nitrate and metabolic inhibitors, and metabolomics analysis suggested 　transport of a precursor and/or biosynthetic intermediat(es) of STX analogues (STXs).
2. Localization of biosynthetic enzymes and STX analogues: The different　localization of STXs from that of the biosynthetic enzyme SxtA strongly supported that STXs and/or biosynthetic intermediates are transported in the process of biosynthesis or accumulation.
3.Mechanism of loss of toxicity: Based on a comparative study of toxic and non-toxic sub-clones of dinoflagellates, we proposed the theory that the mechanism of loss of toxicity in the non-toxic sub-clone is due to destabilization of sxtA-mRNA by mutation of its 3' untranslated region.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

温暖化などの環境変動に応じた海域の毒性変動予測には渦鞭毛藻細胞内でのSTX生合成制御に関する理解が必須である。本研究ではSTX生合成の鍵となる初発の反応を触媒する酵素SxtAの発現制御機構は遺伝子のmRNA３′非翻訳領域（UTR）が関与する転写後調節である可能性を見出した。さらにSTX生合成のデノボ経路と再利用経路あるいは蓄積の過程で物質の輸送が関与していることを示す結果が得られた。本研究の成果は毒化海域予測法の基盤となり、水産業被害低減による食料の安定供給ひいては世界的な食料問題解決に寄与することができる。

Research Products

• [Journal Article] First Identification of 12β-Deoxygonyautoxin 5 (12α-Gonyautoxinol 5) in the Cyanobacterium Dolichospermum circinale (TA04) and 12β-Deoxysaxitoxin (12α-Saxitoxinol) in D. circinale (TA04) and the Dinoflagellate Alexandrium pacificum (Group IV) (120518KureAC) (2022)
  • Author(s): Akamatsu Michiru、Hirozumi Ryosuke、Cho Yuko、Kudo Yuta、Konoki Keiichi、Oshima Yasukatsu、Yotsu-Yamashita Mari
  • Journal Title: Marine Drugs Volume: 20 Issue: 3 Pages: 166-166
  • DOI: 10.3390/md20030166
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Preparation of domoic acid analogues using a bioconversion system, and their toxicity in mice (2021)
  • Author(s): Maeno Yukari、Kotaki Yuichi、Terada Ryuta、Hidaka Masafumi、Cho Yuko、Konoki Keiichi、Yotsu-Yamashita Mari
  • Journal Title: Organic & Biomolecular Chemistry Volume: 19 Issue: 36 Pages: 7894-7902
  • DOI: 10.1039/d1ob01378e
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Two new skeletal analogues of saxitoxin found in the scallop, Patinopecten yessoensis, as possible metabolites of paralytic shellfish toxins (2021)
  • Author(s): Numano Satoshi、Kudo Yuta、Cho Yuko、Konoki Keiichi、Kaga Yoshimasa、Nagasawa Kazuo、Yotsu-Yamashita Mari
  • Journal Title: Chemosphere Volume: 278 Pages: 130224-130224
  • DOI: 10.1016/j.chemosphere.2021.130224
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] SxtA localizes to chloroplasts and changes to its 3′UTR may reduce toxin biosynthesis in non-toxic Alexandrium catenella (Group I)? (2021)
  • Author(s): Cho Yuko、Hidema Shizu、Omura Takuo、Koike Kazuhiko、Koike Kanae、Oikawa Hiroshi、Konoki Keiichi、Oshima Yasukatsu、Yotsu-Yamashita Mari
  • Journal Title: Harmful Algae Volume: 101 Pages: 101972-101972
  • DOI: 10.1016/j.hal.2020.101972
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temporal Variation of the Profile and Concentrations of Paralytic Shellfish Toxins and Tetrodotoxin in the Scallop, Patinopecten yessoensis, Cultured in a Bay of East Japan (2019)
  • Author(s): Numano Satoshi、Kudo Yuta、Cho Yuko、Konoki Keiichi、Yotsu-Yamashita Mari
  • Journal Title: Marine Drugs Volume: 17 Issue: 12 Pages: 653-653
  • DOI: 10.3390/md17120653
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Possible Biosynthetic Products and Metabolites of Kainic Acid from the Red Alga Digenea simplex and Their Biological Activity (2019)
  • Author(s): Maeno Yukari、Terada Ryuta、Kotaki Yuichi、Cho Yuko、Konoki Keiichi、Yotsu-Yamashita Mari
  • Journal Title: Journal of Natural Products Volume: 82 Issue: 6 Pages: 1627-1633
  • DOI: 10.1021/acs.jnatprod.9b00128
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of a Novel Saxitoxin Analogue, 12β-Deoxygonyautoxin 3, in the Cyanobacterium, Anabaena circinalis (TA04) (2019)
  • Author(s): Minowa T.、Cho Y.、Oshima Y. 、Konoki K.、Yotsu-Yamashita M.
  • Journal Title: Toxins Volume: 11 Issue: 9 Pages: 539-539
  • DOI: 10.3390/toxins11090539
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 渦鞭毛藻における麻痺性貝毒の生合成 (2022)
  • Author(s): 長 由扶子 , 日出間 志寿 , 大村 卓朗 , 土屋 成輝 , 小池 一彦 , 小池 香苗 , 及川 寛 , 此木 敬一 , 大島 泰克 , 山下 まり
  • Organizer: 令和4年度日本水産学会春季大会ミニシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] フグ毒テトロドトキシンの生合成経路の推定 (2022)
  • Author(s): 山下まり , 工藤雄大 , 上山 望 , Charles T. Hanifin , 沼野 聡 , 長 由扶子 , 此木敬一
  • Organizer: 令和4年度日本水産学会春季大会ミニシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 12β-deoxysaxitoxin の藍藻 Dolichospermum circinale (TA04)および渦鞭毛藻 Alexandrium pacificum (Group IV)からの同定 (2022)
  • Author(s): 山下まり , 赤松みちる , 長 由扶子 , 此木敬一 , 工藤雄大 , 大島泰克
  • Organizer: 令和4年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] 渦鞭毛藻細胞における麻痺性貝毒成分の蛍光標識アプタマーによる可視化法の検討 (2022)
  • Author(s): 長由扶子,大村卓朗,小池一彦,此木敬一,大島泰克,山下まり
  • Organizer: 令和4年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] 渦鞭毛藻におけるサキシトキシン生合成酵素SxtGの発現、局在及び活性の解析 (2022)
  • Author(s): 長 由扶子,日出間 志寿,大村 卓朗,土屋 成輝,小池 一彦,此木 敬一,大島 泰克,山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] クロイソカイメンより単離したアラキドン酸と各種脂肪酸による電位依存性ナトリウムチャネルの阻害作用 (2022)
  • Author(s): 千葉 修 , 島田 紀子 , 工藤 雄大 , 長 由扶子 , 山下 まり , 此木 敬一
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] 抗テトロドトキシンモノクローナル抗体のフグの主要テトロドトキシン類縁体に対する交差反応性評価 (2022)
  • Author(s): 八巻 慶汰 , 佐藤 恭佳 , 工藤 雄大 , 川津 健太郎 , 荒川 修 , 高谷 智裕 , 長 由扶子 , 此木 敬一 , 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] 異種発現環化酵素を用いた新規カイニン酸類縁体の調製 (2022)
  • Author(s): 山田 基生 , 前野 優香理 , 小瀧 裕一 , 寺田 竜太 , 工藤 雄大 , 長 由扶子 , 此木 敬一 , 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] サキシトキシンの推定生合成中間体の合成と有毒淡水産藍藻における同定 (2022)
  • Author(s): 袴田 真有 , 東海林 千容 , 長 由扶子 , 安達 栞菜 , 石塚 颯 , 工藤 雄大 , 此木 敬一 , 大島 泰克 , 長澤 和夫 , 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] テトロドトキシン含有イモリ由来の新規三環性骨格を持つ2種のグアニジノ化合物 (2022)
  • Author(s): 工藤 雄大 , Charles T. Hanifin , 長 由扶子 , 此木 敬一 , 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2022年度大会
• [Presentation] Solving the mystery of saxitoxin biosynthesis in dinoflagellates: turnover, subcellular localization, and regulation (2022)
  • Author(s): Yuko Cho
  • Organizer: Gordon Research Conference, Marine Natural Products
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Marine and Freshwater Toxins, Detection, Structure, and Pharmacology, Possible mode of action of polycavernosides, and Nav blocking activities of highly purified tetrodotoxin analogues (2021)
  • Author(s): Mari Yotsu-Yamashita,Yuka Doi,Kotaro Iwasaki,Satori Sasaki,Yuki Kawashima,Noriko Shimada,Osamu Chiba,Kyoka Sato,Yuta Kudo,Yuko Cho,Keiichi Konoki,Makoto Sasaki
  • Organizer: PACIFICHEM 2021, Symposium #32, Marine and Freshwater Toxins, Detection
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Prediction of biosynthetic pathway towards tetrodotoxin based on the structures of its natural analogues (2021)
  • Author(s): Mari Yotsu-Yamashita , Yuta Kudo , Yuji Yaegashi , Satoshi Numano , Nozomi Ueyama , Charles Hanifin , Yuko Cho , Keiichi Konoki
  • Organizer: PACIFICHEM 2021 Symposium #51 Biosynthesis of Natural Products
  • Invited
• [Presentation] Localization of the saxitoxin biosynthetic enzyme, SxtA, in the Alexandrium chloroplasts, and its mutations in mRNA 3’UTR might lead toxicity reduction in a non-toxic mutant (2021)
  • Author(s): Yuko Cho;Shizu Hidema;Takuo Omura;Kazuhiko Koike;Kanae Koike;Hiroshi Oikawa;Keiichi Konoki;Yasukatsu Oshima;Mari Yotsu-Yamashita
  • Organizer: 第19回国際有害藻会議
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 二次元 NMR long range-HSQMBC を用いた構造解析の有用性の検証 (2021)
  • Author(s): 工藤雄大 , 海原大輔 , Charles T. Hanifi , 長 由扶子 , 此木敬一 , 山下まり
  • Organizer: 日本農芸化学会東北支部第156 回大会
• [Presentation] 生合成酵素を用いたドウモイ酸類縁体の調製と構造活性相関 (2021)
  • Author(s): 前野優香理 , 小瀧裕一 , 寺田竜太 , 日高將文 , 長由扶子 , 此木敬一 , 山下まり
  • Organizer: 日本農芸化学会東北支部第156 回大会
• [Presentation] Maitotoxin による細胞膜の Blebbing の機構解明 (2021)
  • Author(s): 田端滉樹 , 角替俊輔 , 後藤萌香 , 吉尾柊太郎 , 長由扶子 , 村田道雄 , 山下まり , 此木敬一
  • Organizer: 第156回日本農芸化学会東北支部大会
• [Presentation] マイトトキシンの標的分子探索 (2021)
  • Author(s): 此木敬一 , 松本 健 , 木下祥尚 , 角替俊輔 , 後藤萌香 , 吉尾柊太郎 , 田端滉樹 , 長 由扶子 , 八代田陽子 , Katherine Chan , Amy Hin , Yan Tong , Kamaldeep Kaur Aulakh , Andrea Habsid , 山下まり , 松森信明 , Jason Moffat , Charles Boone , 吉田 稔 , 村田道雄
  • Organizer: 新学術領域研究（研究領域提案型）「化学コミュニケーションのフロンティア」第8回公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] テトロドトキシン類縁体のマウス毒性の再確認およびテトロドトキシンのアルカリ初期分解物の単離と構造 (2021)
  • Author(s): 山下まり, 八重樫優士, 佐藤恭佳, 杉本亜津子, 長由扶子, 此木敬一
  • Organizer: 令和三年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] 渦鞭毛藻サキシトキシン生合成への輸送体阻害剤の影響 (2021)
  • Author(s): 長 由扶子, 土屋成輝, 日出間志寿, 大村卓朗(LAS, 此木敬一, 大島泰克, 山下まり
  • Organizer: 令和三年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] 致死性海藻中毒原因物質ポリカバノシド類の作用機序と構造活性相関 (2021)
  • Author(s): 土肥 裕花, 岩崎 浩太郎, 佐々木 理, 川島 悠岐, 島田 紀子, 長 由扶子, 此木 敬一, 佐々木 誠, 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度仙台大会
• [Presentation] 麻痺性貝毒サキシトキシンの推定生合成中間体の合成と有毒渦鞭毛藻中における同定 (2021)
  • Author(s): 東海林 千容, 長 由扶子, 安達 栞菜, 石塚 颯, 此木 敬一, 及川 寛, 小池 一彦, 長澤 和夫, 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度仙台大会
• [Presentation] 渦鞭毛藻サキシトキシン生合成酵素SxtAの細胞内局在の解明とsxtA遺伝子解析による無毒化機構の提唱 (2021)
  • Author(s): 長 由扶子, 日出間 志寿, 大村 卓朗, 小池 一彦, 小池 香苗, 及川 寛, 此木 敬一, 大島 泰克, 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度仙台大会
• [Presentation] 合成サキシトキシン誘導体に対する電位依存性ナトリウムチャネルの感受性評価 (2021)
  • Author(s): 千葉 修, 山田 智士, 角替 俊輔, 島田 紀子, 長 由扶子, 高柳 優夏, 星 美波, 安達 栞菜, 石塚 颯, 長澤 和夫, 山下 まり, 此木 敬一
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度仙台大会
• [Presentation] 電位依存性ナトリウムチャネルを阻害するクロイソカイメン抽出物の探索 (2021)
  • Author(s): 島田 紀子, 千葉 修, 角替 俊輔, 長 由扶子, 山下 まり, 此木 敬一
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度仙台大会
• [Presentation] ホタテガイ (Patinopecten yessoensis) 中における麻痺性貝毒代謝物の探索 (2021)
  • Author(s): 沼野 聡, 工藤 雄大, 長 由扶子, 此木 敬一, 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度仙台大会
• [Presentation] テトロドトキシン-タンパク質複合体作製のモデル反応と主生成物の構造決定 (2021)
  • Author(s): 善 瑞穂, 工藤 雄大, 長 由扶子, 此木 敬一, 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度仙台大会
• [Presentation] フグ由来の新規テトロドトキシン関連化合物 (2021)
  • Author(s): 八重樫 優, 上山 望, 工藤 雄大, 長 由扶子, 此木 敬一, 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度仙台大会
• [Presentation] 生合成環化酵素を用いた新規ドウモイ酸類縁体の生産 (2021)
  • Author(s): 前野 優香理, 小瀧 裕一, 寺田 竜太, 長 由扶子, 此木 敬一, 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2021年度仙台大会
• [Presentation] ホタテガイ中腸腺由来オカダ酸アシル基転移酵素の可溶化条件の検討 (2021)
  • Author(s): 駒崎有紀、寺内将斗、工藤雄大、長 由扶子、山下まり、此木敬一
  • Organizer: 2020年度日本農芸化学会東北支部大会
• [Presentation] 生合成環化酵素を用いたドウモイ酸新規類縁体生産系の構築 (2021)
  • Author(s): 前野優香理, 小瀧裕一, 寺田竜太, 長由扶子, 此木敬一, 山下まり
  • Organizer: 2020年度日本農芸化学会東北支部大会
• [Presentation] 麻痺性貝毒サキシトキシンの推定生合成中間体の合成と有毒生物中の分析 (2020)
  • Author(s): 東海林 千容、長 由扶子、赤松 みちる、安達 栞菜、石塚 颯、此木 敬一、長澤 和夫、山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度福岡大会
• [Presentation] クロイソカイメン抽出物由来電位依存性ナトリウムチャネル阻害剤の探索 (2020)
  • Author(s): 島田 紀子, 長 由扶子, 此木 敬一, 山下 まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度福岡大会
• [Presentation] フグ由来の新規テトロドトキシン関連化合物の単離と構造 (2020)
  • Author(s): 八重樫優士、工藤雄大、長由扶子、此木敬一、山下まり
  • Organizer: 日本農芸化学会2020年度福岡大会
• [Presentation] 高純度テトロドトキシン類縁体の定量とNav 阻害活性 (2020)
  • Author(s): 山下まり、佐藤恭佳、千葉 修、長 由扶子、此木敬一、工藤雄大
  • Organizer: 令和2年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] コルヒチン存在下の渦鞭毛藻サキシトキシン 生合成のメタボロミクス解析 (2020)
  • Author(s): 長 由扶子, 土屋成輝, 小池一彦, 此木敬一, 大島泰克, 山下まり
  • Organizer: 令和2年度日本水産学会春季大会
• [Presentation] Metabolomic study of saxitoxin biosynthesis in dinoflagellates using 15N-labelled sodium nitrate as a nitrogen source (2019)
  • Author(s): Yuko Cho , Shigeki Tsuchiya , Takuo Omura , Kazuhiko Koike , Hiroshi Oikawa , Keiichi Konoki , Yasukatsu Oshima , Mari Yotsu-Yamashita
  • Organizer: Gordon Research Conference, Mycotoxins and Phycotoxins
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Isolation and structural elucidation of tetrodotoxin related compounds from pufferfish (2019)
  • Author(s): Yaegashi, Y., Ueyama, N., Kudo, Y., Cho, Y., Konoki, K. and Yotsu-Yamashita, M.
  • Organizer: Tohoku University’s Chemistry Summer School
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Screening of novel secondary metabolites from microorganisms associated with the marine sponge Halichondria okadai (2019)
  • Author(s): Goto, M., Kikuchi, S., Okada, K., Cho, Y., Yotsu-Yamashita, M. and Konoki, K.
  • Organizer: Tohoku University’s Chemistry Summer School
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sensitivity of the voltage-gated sodium channel subtypes, Nav1.1 to Nav1.7, against guanidine-containing natural products and their analogues (2019)
  • Author(s): Tsukamoto, T., Chiba, Y., Tsunogae, S., Yamada, T., Cho, Y., Sakakibara, R., Imazu, T., Tokoro, S., Satake, Y., Ishikawa, Y., Nakane, Y., Mouri, S., Yamamoto, Y., Adachi, M., Nakazaki, A., Nishikawa, T., Wakamori, M., Yotsu-Yamashita, M. and Konoki, K.
  • Organizer: The 1st International Symposium on the Chemical Communication
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Identification of biosynthetic intermediates of amnesic shellfish toxin domoic acid and anthelmintic compound kainic acid (2019)
  • Author(s): Maeno, Y., Kotaki, Y., Terada, R., Cho, Y., Konoki, K. and Yotsu-Yamashita, M.
  • Organizer: Gordon Research Conference, Mycotoxins and Phycotoxins
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ドウモイ酸とカイニン酸の新規関連化合物の単離、構造決定と生合成経路 (2019)
  • Author(s): 前野 優香理, 小瀧 裕一, 寺田 竜太, 長 由扶子, 此木 敬一, 山下 まり
  • Organizer: 第61回天然有機化合物討論会
• [Presentation] 淡水産藍藻 Anabaena circinalis (TA04株)における新規サキシトキシン類縁体の探索 (2019)
  • Author(s): 赤松みちる、長由扶子、此木敬一、山下まり
  • Organizer: 日本農芸化学会東北支部大会