The evolutional origin of metabolon formed within the TCA cycle

Research Project

Project/Area Number	20K06608
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 43060:System genome science-related
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	Kameya Masafumi 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 助教 (80748517)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	石井正治東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (30193262)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000) Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000) Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000) Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords	TCA回路 / rTCA回路 / 代謝複合体 / 炭酸固定
Outline of Research at the Start	代謝酵素複合体とは、ある代謝系を構成する酵素群が形成する複合体を指し、中間代謝物の拡散防止など多くの代謝の効率向上に寄与することが知られている。TCA回路においても代謝酵素複合体の存在が知らるが、その進化的起源は不明である。本研究では、TCA回路を逆回転させ二酸化炭素を固定するreductive TCA (rTCA)回路でも複合体は形成されるか、またその機能を明らかにする。これにより、炭酸固定を効率的に進めるための機構を明らかにする。さらに、rTCA回路がTCA回路の祖先型であるという進化関係に着目し、TCA回路の代謝酵素複合体の起源やその進化過程の理解を目指す。
Outline of Final Research Achievements	We conducted an investigation into the formation of metabolons within the reductive tricarboxylic acid (rTCA) cycle of Hydrogenobacter thermophilus, a member of the Aquificota phylum, which represents an ancient lineage of bacteria. Our study involved the utilization of various techniques, including gel filtration, affinity tagging, cross-linking of associated proteins, BN-PAGE, and specific antibody detection of target enzymes. Despite previous reports of robust binding between specific enzymes in the tricarboxylic acid (TCA) cycle, we did not detect such interactions, suggesting that they may have evolved independently subsequent to the divergence from the rTCA cycle. However, certain enzymes exhibited weak associations in our in vitro analysis, implying the possibility of protein-protein interactions under specific conditions.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	代謝酵素複合体とは、ある代謝系を構成する酵素群が細胞内で形成する複合体である。TCA回路においても代謝酵素複合体が形成されることが知られているが、その進化的起源は明らかでない。 TCA回路を逆回転させた二酸化炭素固定経路、reductive TCA (rTCA)回路はTCA回路の祖先型代謝と推定され、TCA回路という生物普遍的な代謝系の進化を理解する上で不可欠な存在である。本研究を通じて、rTCA回路における複合体形成を検証し、液液相分離など微弱なタンパク質間相互作用についての概念・研究手法を適用することでさらなる解明につながる結果が得られた。