Morphological profiling system for development of antifungal agensts

• Project/Area Number: 23K23483
• Project/Area Number (Other): 22H02216 (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 37030:Chemical biology-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 大矢 禎一 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (20183767)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2024: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2022: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
• Keywords: 抗真菌剤 / 出芽酵母 / 形態プロファイリング / 作用機序 / CalMorph / 細胞壁 / ポアシジエン / 植物病 / 医真菌症 / 真菌 / NPD2560

Outline of Research at the Start

ヒトの健康ならびに食料となる農作物に多大な被害をもたらす真菌の存在は、人類にとって大きな脅威であり、新しい抗真菌剤の開発が求められている。そのためには、低濃度で真菌に効く化合物をスクリーニングし、その作用機序の解明を行うことが必要である。そこで本研究では、低濃度で病原性真菌に効く化合物を用いて標的予測を行い、その標的予測を参考にし、申請者が得意とする遺伝学的、細胞生物学的、生化学的などの手法を駆使して、細胞内の標的を同定する。以上の研究計画は、最終的にヒトの健康と食料の確保につながり、SDGsにも貢献することが期待される。

Outline of Annual Research Achievements

ヒトの健康ならびに食料となる農作物に多大な被害をもたらす真菌の存在は、人類にとって大きな脅威であり、新しい抗真菌剤の開発が求められている。そこで本研究では、低濃度で病原性真菌に効く化合物を用いて標的予測を行い、遺伝学的、細胞生物学的、生化学的などの手法を駆使して、細胞内の標的を同定することを目的としている。ジフェルラ酸骨格を持つ抗真菌剤の中でポアシジエンは以前に我々が報告したポアシン酸よりも約１０倍低い濃度で出芽酵母に作用するため、より有用な抗真菌剤として期待される。ポアシジエンの形態プロファイリングの解析からDNA損傷応答過程に関連していることがわかってい他ので、本研究では、出芽酵母においてポアシジエンの初期応答を調べるためにRNA-seqの解析を行った。処理後１時間で発現抑制された遺伝子の中に、鉄イオン代謝に関わる遺伝子が顕著に多く見られた。鉄イオン応答遺伝子であるFet3-GFP融合蛋白質の解析からも、顕著な遺伝子抑制が確認された。鉄が豊富にある状態では、細胞はポアシジエンに対してより感受性になった。このことから、細胞内鉄イオンの蓄積によって増殖停止が引き起こされるという仮説が支持された。化学遺伝学的解析からは、DNA損傷応答過程で働く多くの遺伝子の欠損株がポアシジエンに対して感受性を示すことが確認された。また、全てのDNAポリメラーゼが(Fe-S)クラスターを持つことが知られている。以上の結果からポアシジエンで処理すると、細胞内で鉄イオンの蓄積が起こり、(Fe-S)クラスターを持つDNAポリメラーゼの機能不全に陥り、DNA複製が異常になって、DNA損傷応答過程に影響を与えると考察している。

Current Status of Research Progress

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

Reason

新規抗真菌剤の細胞内標的が鉄イオンであることを突き止めたから

Strategy for Future Research Activity

ポアシジエンの作用標的を同定するとともに、他の抗真菌剤についても標的予想と標的同定を行う。

Research Products

• [Journal Article] Application of unimodal probability distribution models for morphological phenotyping of budding yeast (2024)
  • Author(s): Ohya Yoshikazu、Ghanegolmohammadi Farzan、Itto-Nakama Kaori
  • Journal Title: FEMS Yeast Research Volume: 24
  • DOI: 10.1093/femsyr/foad056
• [Journal Article] Prediction of ethanol fermentation under stressed conditions using yeast morphological data. (2023)
  • Author(s): Itto-Nakama K, Watanabe S, Ohnuki S, Kondo N, Kikuchi R, Nakamura T, Ogasawara W, Kasahara K, Ohya Y.
  • Journal Title: J Biosci Bioeng. Volume: 135 Issue: 3 Pages: 210-216
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2022.12.008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Targeted Mutations Produce Divergent Characteristics in Pedigreed Sake Yeast Strains (2023)
  • Author(s): Klinkaewboonwong Norapat、Ohnuki Shinsuke、Chadani Tomoya、Nishida Ikuhisa、Ushiyama Yuto、Tomiyama Saki、Isogai Atsuko、Goshima Tetsuya、Ghanegolmohammadi Farzan、Nishi Tomoyuki、Kitamoto Katsuhiko、Akao Takeshi、Hirata Dai、Ohya Yoshikazu
  • Journal Title: Microorganisms Volume: 11 Issue: 5 Pages: 1274-1274
  • DOI: 10.3390/microorganisms11051274
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Is AI essential? Examining the need for deep learning in image-activated sorting of <i>Saccharomyces cerevisiae</i> (2023)
  • Author(s): Hayashi Mika、Ohnuki Shinsuke、Tsai Yating、Kondo Naoko、Zhou Yuqi、Zhang Hongqian、Ishii Natsumi Tiffany、Ding Tianben、Herbig Maik、Isozaki Akihiro、Ohya Yoshikazu、Goda Keisuke
  • Journal Title: Lab on a Chip Volume: 23 Issue: 19 Pages: 4232-4244
  • DOI: 10.1039/d3lc00556a
• [Journal Article] Assignment of unimodal probability distribution models for quantitative morphological phenotyping. (2022)
  • Author(s): Ghanegolmohammadi F, Ohnuki S, Ohya Y.
  • Journal Title: BMC Biol. Volume: 20 Issue: 1 Pages: 81-81
  • DOI: 10.1186/s12915-022-01283-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Deep imaging flow cytometry. (2022)
  • Author(s): Huang K, Matsumura H, Zhao Y, Herbig M, Yuan D, Mineharu Y, Harmon J, Findinier J, Yamagishi M, Ohnuki S, Nitta N, Grossman AR, Ohya Y, Mikami H, Isozaki A, Goda K.
  • Journal Title: Lab Chip. Volume: 22 Issue: 5 Pages: 876-889
  • DOI: 10.1039/d1lc01043c
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Jerveratrum-Type Steroidal Alkaloids Inhibit β-1,6-Glucan Biosynthesis in Fungal Cell Walls (2022)
  • Author(s): Kubo Karen、Itto-Nakama Kaori、Ohnuki Shinsuke、Yashiroda Yoko、Li Sheena C.、Kimura Hiromi、Kawamura Yumi、Shimamoto Yasuhiro、Tominaga Ken-Ichi、Yamanaka Daisuke、Adachi Yoshiyuki、Takashima Shinichiro、Noda Yoichi、Boone Charles、Ohya Yoshikazu
  • Journal Title: Microbiology Spectrum Volume: 10 Issue: 1
  • DOI: 10.1128/spectrum.00873-21
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-throughput platform for yeast morphological profiling predicts the targets of bioactive compounds (2022)
  • Author(s): Ohnuki, S., Ogawa, I., Itto-Nakama, K., Lu, F., Ranjan, A., Kabbage, M., Gebre, AA., Yamashita, M., Li, SC., Yashiroda, Y., Yoshida, S., Usui, T., Piotrowski, JS., Andrews, BJ., Boone, C., Brown, GW., Ralph, J., Ohya, Y.
  • Journal Title: npj Systems Biology and Applications Volume: 8 Issue: 1 Pages: 3-3
  • DOI: 10.1038/s41540-022-00212-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] S-adenosyl-L-homocysteine extends lifespan through methionine restriction effects (2022)
  • Author(s): 小川貴史, 益村晃司, 古原優希, 金井宗良, 曽我朋義, 大矢禎一, T. Keith Blackwell, 水沼正樹
  • Journal Title: Aging Cell Volume: - Issue: 5
  • DOI: 10.1111/acel.13604
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Intelligent sort‐timing prediction for image‐activated cell sorting (2022)
  • Author(s): Zhao Yaqi、Isozaki Akihiro、Herbig Maik、Hayashi Mika、Hiramatsu Kotaro、Yamazaki Sota、Kondo Naoko、Ohnuki Shinsuke、Ohya Yoshikazu、Nitta Nao、Goda Keisuke
  • Journal Title: Cytometry Part A Volume: 103 Issue: 1 Pages: 88-97
  • DOI: 10.1002/cyto.a.24664
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Multifarious translational regulation during replicative aging in yeast. (2022)
  • Author(s): Zhao T, Chida A, Shichino Y, Choi D, Mizunuma M, Iwasaki S, and Ohya Y
  • Journal Title: J Fungi (Basal) Volume: 8(9) Issue: 9 Pages: 938-938
  • DOI: 10.3390/jof8090938
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] BIONIC: Biological Network Integration Using Convolutions (2022)
  • Author(s): Duncan T. Forster, Sheena C. Li, Yoko Yashiroda, Mami Yoshimura, Zhijian Li, Luis Alberto Vega Isuhuaylas, Kaori Itto-Nakama, Daisuke Yamanaka, Yoshikazu Ohya, Hiroyuki Osada, Bo Wang, Gary D. Bader & Charles Boone
  • Journal Title: Nature Methods Volume: 19 Issue: 10 Pages: 1250-1261
  • DOI: 10.1038/s41592-022-01616-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Ergosterol生合成阻害剤による表現型の類似性と非類似性に関する研究 (2023)
  • Author(s): Farzan Ghanegolmohammadi1, 徐聴涛2, 李雨澤2, 大貫慎輔2, 小嶋徹也2, ○一刀かおり2, 大矢禎一2,3 （1MIT Department of Biological Engineering, 2東大院新領域, 3CRIIM）
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム
• [Presentation] ヒト化酵母を用いたRHOA変異による発癌機構の研究 (2023)
  • Author(s): 王 晨薇1, Anna Savchenko1,2 ,近藤直子1、大貫慎輔1、油谷浩幸3、吉田知史4、畠山理広5、大矢禎一 1,6 （1東大・院新領域、2現マーストリヒト大学、3東大・先端研、4早大・国際教養、5アバデーン大、6東大・CRIIM）
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム
• [Presentation] 清酒酵母の異なる系統では同一変異が様々な表現型を引き起こす (2023)
  • Author(s): Klinkaewboonwong Norapat1、大貫慎輔1、茶谷朋哉1、西田郁久2、牛山宥人2、富山早紀2、磯谷敦子3、 五島徹也3、西 智之4、赤尾 健3,5,、平田 大2,4,5、大矢禎一1,6 （1東大・院新領域、2新潟大・日本酒学、3酒総研、4朝日酒造、5広島大、6東大・CRIIM）
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム
• [Presentation] 抗真菌剤ポアシジエンは細胞質鉄イオンの蓄積を引き起こす (2023)
  • Author(s): 趙天宇1、小川樹1、吉村麻美2、八代田陽子2、Charles Boone2,3、Grant W Brown3、Fachuang Lu4、John Ralph4、一刀かおり1、大矢禎一1,5 （1東大院・新領域、2理CSRS 、3トロント大学、4ウイスコンシン大学、5東大・CRIIM）
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム
• [Presentation] 抗真菌剤NPD2560の細胞内作用機序に関する研究 (2023)
  • Author(s): 劉薇1、関口宙暉1、山中大輔2、八代田陽子3、Sheena Li4、Charles Boone3,4、一刀かおり1、大矢禎一1,5 （1東大院・新領域、2東京薬大・医療衛生薬、3理研CSRS、4トロント大学、5東大・CRIIM）
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム
• [Presentation] 真菌の細胞壁に作用する新規抗真菌剤NPD2560の作用メカニズムの研究 (2022)
  • Author(s): 劉薇1、関口宙輝1、一刀かおり1、大矢禎一1,2（1東京・新領域、2東大・CRIIM）
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム
• [Presentation] ハプロ不全のメカニズム (2022)
  • Author(s): 小玉陽月1、山本 一輝1、趙天宇1、大矢禎一1,2 （1東大院・新領域、2東大・CRIIM）
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム
• [Presentation] 出芽酵母の複製老化時における多様な翻訳調節 (2022)
  • Author(s): 趙天宇1、千田朝香1、七野悠一2、Choi Dongwoo 1、水沼正樹3、岩崎信太郎1, 2、大矢禎一1, 4 （1東大院・新領域、2理研、3広大院・統合生命、4東大・CRIIM）
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム
• [Presentation] ストレス条件下における細胞形態からエタノール発酵量を予測するAIの開発 (2022)
  • Author(s): 一刀かおり1、渡部峻2、大貫慎輔1、近藤直子1、菊地亮太2,3、中村徹4、小笠原渉5、笠原堅2、大矢禎一1,6 （1東大・院新領域、2ちとせ研、3京大、4NRIシステムテクノ（株）、5長岡技大、6東大・CRIIM）
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム
• [Presentation] ゲノム編集を使った清酒酵母のマトリックス育種 (2022)
  • Author(s): Klinkaewboonwong Norapat1、茶谷朋哉1、西田郁久2、牛山宥人2、富山早紀2、磯谷敦子3、五島徹也3 西 智之4、赤尾 健3,5,、平田 大2,4,5、大矢禎一1,6 （1東大・院新領域、2新潟大・日本酒学、3酒総研、4朝日酒造、5広島大、6東大・CRIIM）
  • Organizer: 酵母遺伝学フォーラム