糸状菌由来ポリケタイド合成酵素の「系統学的分類則」と「立体制御則」の提案と検証

• Project/Area Number: 23K23471
• Project/Area Number (Other): 22H02204 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 37020:Chemistry and chemical methodology of biomolecules-related
• Research Institution: Institute of Science Tokyo (2024); Hokkaido University (2022-2023)
• Principal Investigator: 南 篤志 東京工業大学, 理学院, 教授 (40507191)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2025: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2023: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: ポリケタイド / 骨格構築酵素

Outline of Research at the Start

多くの化学者が「最終産物であるポリケタイド系天然物は、どの程度の構造多様性を有するのか？」「PKSやPKS-NRPSは、どのようなメカニズムで構造が異なるPK鎖を合成するのか？」という点には興味を抱いているが、疑問の解決には至っていない。本研究では、個々のポリケタイド系天然物の生合成研究では見逃されてきたPKSやPKS-NRPSの系統学的・機能的な共通点を見いだし、実験的に検証する。

Outline of Annual Research Achievements

ポリケタイド系天然物を対象とし、その骨格構築に関わるPKS(-NRPS)の系統学的・機能的な共通点を基に申請者が提案した２つの仮説、仮説１）PKS(-NRPS)の系統学的な分類結果は、最終産物の化学構造と良く一致する、仮説２）ポリケタイド鎖伸長反応の立体特異性は、全てのPKS(-NRPS)で共通である、を実験的に検証する。具体的には、①仮説１の実験的検証、②仮説２の実験的な検証、③提案した立体化学制御則に従うPKSと制御則に反するPKSの機能的な類似点・相違点の解明を通して、糸状菌由来PKSの機能を明らかにする。初年度は、主に、①と②について検討した。

HR-PKSの分子系統解析から機能解析例が限定的なグループを選択し、骨格構築酵素の機能解析と最終産物の異種宿主生産を行った。これにより、注目したグループが酸無水物型二量体を与えるグループであることを実験的に立証し、提唱した仮説１をサポートすることに成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

以前の研究では未解析であったHR-PKSについて予備的な分子系統解析を行ったところ、PKS-NRPSと同様、いくつかのグループに分類されることがわかった。初年度は、ホモイドライドと呼ばれる天然物生合成に関わると予想されたHR-PKSに注目し、その機能解析と異種宿主生産を行った。その結果、１）注目したHR-PKSは特徴的なポリケタイド鎖の構築に関与すること、２）生成したポリケタイド鎖部分が最終産物であるホモイドライドのコア骨格に変換されることを明らかにした。機能解析に成功したHR-PKSと同じグループには、類似の二量体構造を与えるゾフィエリン生合成に関わるHR-PKSと同じグループであったことから、本グループは酸無水物二量体と紐づいていることを実験的に証明することに成功した。本研究成果は世界的にも高く評価され、化学系のトップジャーナルであるJACS誌に受理された。以上のことから、本研究は順調に進展しているものと判断した。

Strategy for Future Research Activity

今後の方策としては、１）NR-PKSを対象とした仮説１の検証、２）仮説２の検証に向けた各ドメインの精密機能解析などを行う予定である。具体的には、メレオライド生合成に関わるNR-PKSの機能解析とエノイル還元反応を触媒するERの精密機能解析を先行して行う予定である。

Research Products

• [Journal Article] Oxidative bicyclic ring system formation involving indole diterpene biosynthesis: Remarkable substrate tolerance of a prenyltransferase and flavoprotein oxidase (2023)
  • Author(s): Liu, Y.; Ozaki, T.; Minami, A.; Oikawa, H.
  • Journal Title: Tetrahedron Lett. Volume: 18 Pages: 154374-154374
  • DOI: 10.1016/j.tetlet.2023.154374
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Recent advances in the biosynthesis of ribosomally synthesized and posttranslationally modified peptides of fungal origin (2023)
  • Author(s): Taro Ozaki, Atsushi Minami, Hideaki Oikawa.
  • Journal Title: J. Antibiot. Volume: 76 Issue: 1 Pages: 3-13
  • DOI: 10.1038/s41429-022-00576-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biosynthesis of indole diterpenes: Reconstitution approach in heterologous host (2023)
  • Author(s): Ozaki, T.; Minami, A.; Oikawa, H.
  • Journal Title: Nat. Prod. Rep. Volume: 40 Issue: 1 Pages: 202-213
  • DOI: 10.1039/d2np00031h
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Elucidation of Late-Stage Biosynthesis of Phomoidride: Proposal of Cyclization Mechanism Affording Characteristic Nine-Membered Ring of Fungal Dimeric Anhydride (2022)
  • Author(s): Yamamoto Shintaro、Matsuyama Taro、Ozaki Taro、Takino Junya、Sato Hajime、Uchiyama Masanobu、Minami Atsushi、Oikawa Hideaki
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 46 Pages: 20998-21004
  • DOI: 10.1021/jacs.2c09308
  • Peer Reviewed
• [Presentation] コレステロール生合成阻害剤phomoidride Bの生合成研究 (3) (2023)
  • Author(s): 瀧野 純矢、山本 真太郎、尾﨑 太郎、永木 愛一郎、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本農芸化学会2023年度大会
• [Presentation] 糸状菌由来酸無水物二量体phomoidride Bの生合成研究 (3) (2023)
  • Author(s): 瀧野 純矢、山本 真太郎、尾﨑 太郎、永木 愛一郎、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会 (2023)
• [Presentation] 担子菌由来抗腫瘍物質melleolideの全生合成(2) (2023)
  • Author(s): 深谷 充功、尾関 美衣菜、尾﨑 太郎、永木 愛一郎、南 篤志、及川 英秋
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会 (2023)
• [Presentation] Biosynthesis of Indole Diterpenes: Bicyclic ring formation catalyzed by a prenyltransferase and flavoprotein oxidase. (2023)
  • Author(s): Yaping Liu, Ozaki Taro, Aiichiro Nagaki, Atsushi Minami, Hideaki Oikawa
  • Organizer: 日本農芸化学会2023年度大会
• [Presentation] Oxidative bicyclic ring formation involving indole diterpene biosynthesis (2023)
  • Author(s): Yaping Liu, Taro Ozaki, Aiichiro Nagaki, Atsushi Minami, Hideaki Oikawa
  • Organizer: 日本化学会 第103春季年会 (2023)
• [Presentation] Development of versatile heterologous expression system for synthesizing fungal natural products (2022)
  • Author(s): Minami, A.
  • Organizer: Sapporo Summer Seminar on Natural Product Biosynthesis
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] New Tide of Natural Product Chemistry (2023)
  • Author(s): Minami A.
  • Total Pages: 377
  • Publisher: SPRINGER NATURE
  • ISBN: 9789819917136