| Project/Area Number |
23H05473
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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Broad Section F
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
吉田 稔 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 部門長 (80191617)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
白井 智量 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 上級研究員 (00639586)
西村 慎一 広島大学, 統合生命科学研究科(生), 教授 (30415260)
伊藤 昭博 東京薬科大学, 生命科学部, 教授 (40391859)
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| Project Period (FY) |
2023-04-12 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥204,750,000 (Direct Cost: ¥157,500,000、Indirect Cost: ¥47,250,000)
Fiscal Year 2025: ¥36,530,000 (Direct Cost: ¥28,100,000、Indirect Cost: ¥8,430,000)
Fiscal Year 2024: ¥40,040,000 (Direct Cost: ¥30,800,000、Indirect Cost: ¥9,240,000)
Fiscal Year 2023: ¥55,120,000 (Direct Cost: ¥42,400,000、Indirect Cost: ¥12,720,000)
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| Keywords | 内在性代謝物 / 化学遺伝学 / 翻訳後修飾 / 細胞間コミュニケーション / シミュレーション / 代謝フェロモン / 代謝シミュレーション |
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| Outline of Research at the Start |
近年、本来の機能とは異なる代謝物の活性に注目が集まっている。しかし、代謝物の新しい活性を探索しようという研究は、代謝物ライブラリーや適切な評価系がないなどの理由で、偶然に発見されたものを除いてほとんど行われてこなかった。よって組織的に代謝物の新機能を解明しようという研究は、未知の新しい研究領域を拓く可能性がある。そこで、(1) 申請者らが独自に構築した内在性代謝物ライブラリーや天然化合物ライブラリーを用いて新機能代謝物と代謝変換化合物を探索し、 (2) 脂質代謝による細胞内応答、(3) 代謝物を介した細胞間コミュニケーション、 (4) 代謝フラックス予測技術を用いた情報科学を展開し、代謝物の新機能発見に迫る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、代謝物の新機能を解明することを目指し、以下の結果を得た。(1) 新機能代謝物と代謝変換化合物の探索: ポリアミンは細菌から動植物まで共通する必須の代謝物であり、その1つであるスペルミジンの機能の一つとして翻訳因子eIF5Aの翻訳後修飾ハイプシン化の基質となることが知られている。海綿由来Girollineとハイプシンの構造類似性に着目し、リボソームプロファイリングを行ったところ、GirollineがeIF5Aと競合してリボソームに結合し、リジン残基をコードするAAAコドンを含む特定の配列でリボソームを失速させることを見いだした(Nature Communications, 2025)。(2) 脂質代謝による細胞内応答: 分裂酵母の生育を抑制するベンタデカン酸(C15:0)の代謝経路の解明を試みたところ、C15:0が分裂酵母のリピドームに積極的に取り込まれ、小胞体の巨大シート化を誘導し、細胞分裂を物理的に阻害することが明らかとなった。 (3) 代謝物を介した細胞間コミュニケーション: 分裂酵母が分泌するNitrogen Signaling Factor（NSF）は、窒素カタボライト抑制（NCR）を解除し、適応生育を促す。遺伝子破壊株を用いた非感受性株の探索、NSF存在下での遺伝子発現解析、および新たに合成したアルキン化NSF（Bioorg Med Chem Lett, 2024）を用いた解析により、NSFがミトコンドリア内のHmt2に結合して呼吸機能を活性化し、NCRを解除する仕組みが示唆された（EMBO J, 2024）。 (4) 代謝フラックス予測技術を用いた情報科学: 代謝におけるネットワーク全体の変化を予測し、特定の代謝物や代謝調節化合物の投与によって、代謝全体がどのように変化するかを理解する新しいシステムの構築を進めた（Plant Biotechnol, 2024）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
近年、本来の機能とは異なる代謝物の活性に注目が集まっているが、組織的に代謝物の新機能を解明しようという研究は、これまでほとんど行われてこなかった。そこで本研究では、内在性代謝物ライブラリーや天然化合物ライブラリーを用いて新機能代謝物と代謝変換化合物を探索するとともに、代謝フラックス予測技術を用いた情報科学を展開し、代謝物の新機能の発見に迫ることを目的とした。まず、ポリアミンは全ての真核生物の生存に必須の代謝物であるが、スペルミジンによる翻訳因子eIF5Aのハイプシン化酵素が全ての真核生物の生育に必須である。今回、翻訳阻害剤として知られていたGirollineが、ハイプシン化eIF5Aと競合してリボソームに結合し、連続したAAAコドンを含む特定の配列の翻訳伸長を抑制するユニークな翻訳阻害剤であることを見いだした。Girollineによる翻訳阻害において、リボソーム同士が衝突することで駆動するリボソーム品質管理機構（RQC）が必要であったことは、全くの想定外であった。また、分裂酵母において、生体内微量脂質である奇数鎖脂肪酸がオレイン酸と競合してグリセロリン脂質に選択的に取り込まれ、それによって小胞体が巨大シート化されるという発見も当初想定されていなかった。さらに、NSFの作用機序を解明するためには、NSFの結合相手を同定することが必要になるが、単純なオキシ脂肪酸であるNSFの化学修飾は困難が予想された。そこで、九州大学の平井教授との共同研究によってアルキン誘導体を調製して頂き、活性を持たないオレイン酸アルキン誘導体をコントロールとして用いるなど工夫し、最終的にミトコンドリアに局在するNSF結合タンパク質の同定に成功した。このように、いずれの発見も想定外のものであり、当初の計画以上に進展したと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 内在性代謝物ライブラリーや天然化合物ライブラリーを用いた新機能代謝物と代謝変換化合物の探索、 (2) 脂質代謝による細胞内応答、(3) 代謝物を介した 細胞間コミュニケーション、 (4) 代謝フラックス予測技術を用いた情報科学の各研究項目について、それぞれ今後の展開が期待される結果が得られているので、 大きな成果が得られるよう綿密な実験計画を立てて進めていきたい。また、代謝変換を誘導する内在性代謝物、微生物二次代謝産物などをさらに探索し、その作 用機序の解明を進める。特に脂質関連物質とポリアミン関連物質に興味深い生理活性が多く見られることからそれらの役割や作用機序の解明を進める。代謝シ ミュレーションに関しては、ヒト細胞、出芽酵母、分裂酵母において、ゲノムスケールレベルの代謝モデルを準備し、培地条件など環境変化をインプットデータ とした場合の代謝フラックスバランス解析(FBA)を実行したが、シミュレーションが上手く完了する場合と計算が実行できない場合が生じた。特に、ヒトの代謝 モデルを用いて実際の実験における培地条件を入力値とした場合に、計算が進まない結果となった。今後は、この原因を解析するとともに、トランスクリプトー ムやメタボロームデータを導入することにより、高精度化に向けた代謝予測技術を確立するための基盤を構築する予定である。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment
A+: 想定を超える研究の進展があり、期待以上の成果が見込まれる
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