Redesign of biosynthetic machinery for prenylated polyphenols via integration of metabolic and transport engineering

• Project Area: Creation of Complex Functional Molecules by Rational Redesign of Biosynthetic Machineries
• Project/Area Number: 19H04654
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 矢崎 一史 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (00191099)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000); Fiscal Year 2020: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 合成生物学 / メロテルペン / プレニル基転移酵素 / フェニルプロパノイド / 輸送工学 / バイオテクノロジー / 生合成 / 代謝工学 / ポリフェノール

Outline of Research at the Start

植物のプレニル化フェノールであるアルテピリン Cは、抗腫瘍、抗酸化、抗菌活性、脂肪燃焼促進作用など有用な生理活性を持ち、機能性食品や抗メタボリックシンドロームに向けたサプリメント等として極めて有望である。しかし一方で、植物におけるその含量は一般に低いため、高効率の生産系の確立には大きなニーズがある。
本研究では、薬用植物のカワラヨモギから単離したプレニル化酵素遺伝子AcPT1をはじめ、複数の植物遺伝子を用いて、酵母細胞内に植物の代謝系を再構築し、さらに輸送体遺伝子を活用することで細胞内基質の供給や生産物の蓄積を制御し、アルテピリン C の生産に向けた高度な生合成のリデザインを行う。

Outline of Annual Research Achievements

植物のプレニル化フェノール類は、抗腫瘍、抗酸化、抗菌活性、脂肪燃焼促進作用など多様な生理活性を持ち、機能性食品や医薬品原料等として極めて有望である。一方、天然における含量は一般に低く、単離もコスト高となることから、高効率の生産系の確率は基礎研究分野のみならず、産業界においても高いニーズがある。本研究では、植物由来のユニークなジプレニル化酵素AcPT1と、PAL／C4H／4CLの３遺伝子を用いた基質のp-クマル酸の細胞内供給を行う生合成デザインにより、ブラジル産キク科低木の Baccharis の生理活性成分 artepillin Cの生産を目指した。遺伝子源は国産のカワラヨモギとし、膜蛋白質のAcPT1を発現させるホストは出芽酵母とした。
これまでに、AcPT1の改変やプレニル基質供給を補強などのリデザインを行い、培地１リッターあたり 113 μmol（33.9 mg/L medium）の artepillin C 生産を達成した。これによりブラジル産植物からしか得ることができなかった artepillin C を、国内の遺伝資源を用いて供給する基礎を築いた。
しかし、細胞内で合成させた基質の p-クマル酸が、ほぼ全量培地中に分泌されてしまうことから、モノプレニル体であるdrupaninとジプレニル体の artepillin Cの局在を調べた。その結果、細胞側にdrupaninは20%、artepillin Cは90%局在していることが明らかとなった。そこで、artepillin Cの細胞外放出を促進するため、カワラヨモギのlipid transfer protein (LTP) をRNA-seq から13種同定し、うち発現の高かった４種を上記生合成酵素群と酵母で共発現させた。しかしartepillin C生産に対してポジティブな影響を与えた分子種は残念ながら見出せなかった。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Lorraine/INRAE/Laboratory of Agronomy and Environment(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Lorraine/INRA(フランス)
• [Journal Article] Parallel evolution of UbiA superfamily proteins into aromatic O-prenyltransferases in plants (2021)
  • Author(s): Munakata, R., Olry, A., Takemura, T., Tatsumi, K., Ichino, T., Villard, C., Kageyama, J., Kurata, T., Nakayasu, M., Jacob, F., Koeduka, T., Yamamoto, H., Moriyoshi, E., Matsukawa, T., Grosjean, J., Krieger, C., Sugiyama, A., Mizutani, M., Bourgaud, F., Hehn, A., Yazaki, K.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 118 Issue: 17
  • DOI: 10.1073/pnas.2022294118
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Highly efficient method of <i>Lithospermum erythrorhizon</i> transformation using domestic <i>Rhizobium rhizogenes</i> strain A13 (2020)
  • Author(s): Kanade Tatsumi, Takuji Ichino, Noboru Onishi, Koichiro Shimomura, Kazufumi Yazaki
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 37 Issue: 1 Pages: 39-46
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.19.1212a
  • NAID: 130007822563
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2020-03-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Alcohol Dehydrogenase Activity Converts 3″-Hydroxy-geranylhydroquinone to an Aldehyde Intermediate for Shikonin and Benzoquinone Derivatives in Lithospermum erythrorhizon (2020)
  • Author(s): Yamamoto Hirobumi、Tsukahara Mika、Yamano Yumiko、Wada Akimori、Yazaki Kazufumi
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 61 Issue: 10 Pages: 1798-1806
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Apple latent spherical virus (ALSV)-induced gene silencing in a medicinal plant Lithospermum erythrorhizon (2020)
  • Author(s): Izuishi Yuki, Isaka Natsumi, Li Hao, Nakanishi Kohei, Kageyama Joji, Ishikawa Kazuya, Shimada Tomoo, Masuta Chikara, Yoshikawa Nobuyuki, Kusano Hiroaki, Yazaki Kazufumi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Issue: 1 Pages: 13555-13555
  • DOI: 10.1038/s41598-020-70469-1
  • NAID: 120007175169
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two BAHD Acyltransferases Catalyze the Last Step in the Shikonin/Alkannin Biosynthetic Pathway (2020)
  • Author(s): Haruka Oshikiri, Bunta Watanabe, Hirobumi Yamamoto, Kazufumi Yazaki, Kojiro Takanashi
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 184 Issue: 2 Pages: 753-761
  • DOI: 10.1104/pp.20.00207
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Cytosol-Localized Geranyl Diphosphate Synthase from Lithospermum erythrorhizon and Its Molecular Evolution (2020)
  • Author(s): Ueoka Hayato、Sasaki Kanako、Miyawaki Tatsuya、Ichino Takuji、Tatsumi Kanade、Suzuki Shiro、Yamamoto Hirobumi、Sakurai Nozomu、Suzuki Hideyuki、Shibata Daisuke、Yazaki Kazufumi
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 182 Issue: 4 Pages: 1933-1945
  • DOI: 10.1104/pp.19.00999
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] プロポリスの生理活性物質アルテピリンCの酵母内再構築 (2020)
  • Author(s): 棟方涼介、矢崎一史
  • Journal Title: バイオサイエンスとインダストリー Volume: 78
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Isolation of Artemisia capillaris membrane-bound di-prenyltransferase for phenylpropanoids and redesign of artepillin C in yeast (2019)
  • Author(s): Munakata Ryosuke、Takemura Tomoya、Tatsumi Kanade、Moriyoshi Eiko、Yanagihara Koki、Sugiyama Akifumi、Suzuki Hideyuki、Seki Hikaru、Muranaka Toshiya、Kawano Noriaki、Yoshimatsu Kayo、Kawahara Nobuo、Yamaura Takao、Grosjean Jeremy、Bourgaud Frederic、Hehn Alain、Yazaki Kazufumi
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 2 Issue: 1 Pages: 384-384
  • DOI: 10.1038/s42003-019-0630-0
  • NAID: 120006733113
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Convergent evolution of the UbiA prenyltransferase family underlies the independent acquisition of furanocoumarins in plants (2019)
  • Author(s): Munakata Ryosuke、Kitajima Sakihito、Nuttens Andreina、Tatsumi Kanade、Takemura Tomoya、Ichino Takuji、Galati Gianni、Vautrin Sonia、Berges Helene、Grosjean Jeremy、Bourgaud Frederic、Sugiyama Akifumi、Hehn Alain、Yazaki Kazufumi
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 225 Issue: 5 Pages: 2166-2182
  • DOI: 10.1111/nph.16277
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Evolutionary Developments in Plant Specialized Metabolism, Exemplified by Two Transferase Families (2019)
  • Author(s): Kusano Hiroaki、Li Hao、Minami Hiroshi、Kato Yoshihiro、Tabata Homare、Yazaki Kazufumi
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 10 Pages: 794-794
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.00794
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Proton Gradient-Dependent Transport of p-Glucocoumaryl Alcohol in Differentiating Xylem of Woody Plants (2019)
  • Author(s): Tsuyama Taku、Matsushita Yasuyuki、Fukushima Kazuhiko、Takabe Keiji、Yazaki Kazufumi、Kamei Ichiro
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 8900-8900
  • DOI: 10.1038/s41598-019-45394-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamism of vacuoles toward survival strategy in plants (2019)
  • Author(s): Shitan Nobukazu、Yazaki Kazufumi
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes Volume: 15 Issue: 12 Pages: 183127-183127
  • DOI: 10.1016/j.bbamem.2019.183127
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 植物における代謝産物の蓄積機構の制御技術の開発 (2020)
  • Author(s): 矢崎一史
  • Organizer: BioJapan 2020
  • Invited
• [Presentation] 脂溶性二次代謝産物シコニンの細胞外蓄積に関与する分泌脂質分子の解析 (2020)
  • Author(s): 巽 奏、市野琢爾、岡咲洋三、東泰弘、梶川昌孝、福澤秀哉、豊岡公徳、佐藤繭子、市育代、斉藤和季、矢崎一史
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 植物フェノール類プレニル化酵素の位置特異性を担う触媒機構の解明に向けて (2020)
  • Author(s): 棟方 涼介、高橋 宏暢、肥塚 崇男、Alain HEHN、矢﨑 一史
  • Organizer: 第30回イソプレノイド研究会
• [Presentation] 生合成工学と輸送工学を統合したプレニル化ポリフェノールの生合成リデザイン (2019)
  • Author(s): 矢崎一史
  • Organizer: 新学術領域研究 生物合成系の再設計による複雑骨格機能分子の革新的創成科学、第６回公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 植物の脂溶性テルペン化合物の細胞外分泌 (2019)
  • Author(s): 矢崎一史
  • Organizer: 第２回天然ゴム研究会／理研シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 植物の鉄要求性を支える膜輸送体とその生理機能 (2019)
  • Author(s): 矢崎一史
  • Organizer: 第43回日本鉄バイオサイエンス学会学術集会
  • Invited
• [Presentation] 物質集積メカニズムの制御による高次物質生産技術 －植物における代謝産物の蓄積機構の制御技術の開発－ (2019)
  • Author(s): 矢崎一史
  • Organizer: BioJapan 2019 NEDOセミナー
  • Invited
• [Remarks] アルテピリンC合成酵素の発見とその生産 －雑草の遺伝子から生理活性物質の生産へ－
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2019/191018_2.html