Redesign of biosynthetic machinery for plant-derived sesquiterpene lactones

• Project Area: Creation of Complex Functional Molecules by Rational Redesign of Biosynthetic Machineries
• Project/Area Number: 19H04657
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: 関 光 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (30392004)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000); Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2019: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: 植物セスキテルペノイド / 生合成 / セスキテルペン環化酵素 / シトクロムP450 / 組換え酵母 / ニコチアナベンサミアナ / セスキテルペノイド / 酵素 / セスキテルペンラクトン / シトクロムP450モノオキシゲナーゼ / 酵母 / ベンサミアナタバコ

Outline of Research at the Start

Guaianolide Sesquiterpene Lactones（GSLs）は植物が生産する低分子化合物の中の一グループであり、抗ガン剤として使用されるArglabinやMicheliolideなどを含む。GSLsの基本骨格構造の合成に関わる酵素遺伝子とGSL基本骨格の多様な酸化修飾を触媒するシトクロムP450モノオキシゲナーゼ遺伝子の探索と機能改変を含めたコンビナトリアル生合成手法による再構築を行い、異種ホスト（酵母、麹菌、異種植物）において多様なGSL生合成経路をリデザインする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、植物が生産するセスキテルペノイドラクトンの生合成に関与する酵素群を明らかにし、コンビナトリアル生合成手法によるセスキテルペノイドラクトンの生合成リデザインを行う。なかでも、抗ガン活性を有するGuaianolide Sesquiterpene Lactones（GSL）や、抗マラリア薬原料であるアルテミシニンを生産するクソニンジン（Artemisia annua）以外は詳細な解析がなされていないヨモギ属植物に着目した植物セスキテルペノイドの生合成系の解明と異種ホストにおける再構築を目的とする。2019年度は、組換え酵母における生合成経路の再構築を中心に行ったが、2020年度は、植物におけるタンパク質大量発現系として開発されたジェミニウイルス複製システムを利用したベクター系を利用したベンサミアナタバコ葉における生合成酵素の一過的発現によるセスキテルペノイドラクトン生合成経路の再構築に取り組んだ。アルテミシニン前駆物質であるアモルファジエンの合成酵素（ADS）およびGSLの前駆物質であるグアイエン合成酵素遺伝子を従来型のバイナリーベクターで一過的に発現させた場合には酵素反応生成物が検出されなかったのに対して、ジェミニウイルスベクターを用いて一過的に発現させた場合には酵素反応生成物が検出されたことから、本ベクター系がベンサミアナタバコやレタス等の異種植物ホストにおける一過的な生合成酵素群の高発現によるセスキテルペノイドラクトン生合成経路の再構築とリデザインに有効であることが示された。今後、各酵素遺伝子の発現コンストラクトを保持するアグロバクテリウムの感染液を混合して接種することで生合成のリデザインを進める。

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] Universidad Regional Amazonica IKIAM(エクアドル)
• [Int'l Joint Research] Department of Biotechnology/Faculty of Life Sciences/Universidad Regional Amazonica IKIAM(エクアドル)
• [Int'l Joint Research] Universite de Lorraine/INRA(フランス)
• [Journal Article] Allylic Hydroxylation Activity Is a Source of Saponin Chemodiversity in the Genus Glycyrrhiza (2021)
  • Author(s): Fanani Much Z、Sawai Satoru、Seki Hikaru、Ishimori Masato、Ohyama Kiyoshi、Fukushima Ery O、Sudo Hiroshi、Saito Kazuki、Muranaka Toshiya
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: in press Issue: 2 Pages: 262-271
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa173
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A cellulose synthase-derived enzyme catalyses 3-O-glucuronosylation in saponin biosynthesis (2020)
  • Author(s): Chung Soo Yeon、Seki Hikaru、Fujisawa Yukiko、Shimoda Yoshikazu、Hiraga Susumu、Nomura Yuhta、Saito Kazuki、Ishimoto Masao、Muranaka Toshiya
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1 Pages: 5664-5664
  • DOI: 10.1038/s41467-020-19399-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Production of the bioactive plant‐derived triterpenoid morolic acid in engineered Saccharomyces cerevisiae (2020)
  • Author(s): Srisawat Pisanee、Yasumoto Shuhei、Fukushima Ery O.、Robertlee Jekson、Seki Hikaru、Muranaka Toshiya
  • Journal Title: Biotechnology and Bioengineering Volume: 117 Issue: 7 Pages: 2198-2208
  • DOI: 10.1002/bit.27357
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular basis of C-30 product regioselectivity of legume oxidasesinvolved in high-value triterpenoid biosynthesis (2019)
  • Author(s): Fanani MZ, Fukushima EO, Sawai S, Tang J, Ishimori M, Sudo H, Ohyama K, Seki H, Saito K, Muranaka T
  • Journal Title: Front. Plant Sci. Volume: 10 Pages: 1520-1520
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.01520
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Lotus japonicus triterpenoid profile and characterization of CYP716A51 and LjCYP93E1 genes involved in its biosynthesis in planta (2019)
  • Author(s): Suzuki H, Fukushima EO, Shimizu Y, Seki H, Fujisawa Y, Ishimoto M, Osakabe K, Osakabe Y, Muranaka T
  • Journal Title: Plant Cell Physiol. Volume: 60 Pages: 2496-2509
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz145
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Functional specialization of UDP-glycosyltransferase 73P12 in licorice to produce a sweet triterpenoid saponin, glycyrrhizin (2019)
  • Author(s): Nomura Y, Seki H, Suzuki T, Ohyama K, Mizutani M, Kaku T, Tamura K, Ono E, Horikawa M, Sudo H, Hayashi H, Saito K, Muranaka T
  • Journal Title: Plant J. Volume: 99 Issue: 6 Pages: 1127-1143
  • DOI: 10.1111/tpj.14409
  • NAID: 120006779844
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Identification of oxidosqualene cyclases from the medicinal legume tree Bauhinia forficata: a step toward discovering preponderant α-amyrin-producing activity (2019)
  • Author(s): Srisawat P, Fukushima EO, Yasumoto S, Robertlee J, Suzuki H, Seki H, Muranaka T
  • Journal Title: New Phytol. Volume: 224 Issue: 1 Pages: 352-366
  • DOI: 10.1111/nph.16013
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Identification and characterization of (+)-α-bisabolol and 7-epi-silphiperfol-5-ene synthases from Artemisia abrotanum (2019)
  • Author(s): Muangphrom P, Misaki M, Suzuki M, Shimomura M, Suzuki H, Seki H, Muranaka T
  • Journal Title: Phytochemistry Volume: 164 Pages: 144-153
  • DOI: 10.1016/j.phytochem.2019.05.010
  • 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
• [Presentation] Comparative analysis of plant NADPH-cytochrome P450 reductase of legumes towards triterpenoids biosynthesis (2021)
  • Author(s): Istiandari P, Yasumoto S, Fukushima EO, Seki H, Muranaka T
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Identification of key amino acid residues for catalytic activity and substrate specificity of CYP716A subfamily in site-specific oxidation of triterpenoid (2021)
  • Author(s): Romsuk J, Yasumoto S, Seki H, Fukushima EO, Muranaka T
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] トリテルペノイドサポニン生合成におけるセルロースシンターゼライクの機能解析 (2020)
  • Author(s): チョンスヨン、關 光、藤澤由紀子、下田宜司、平賀勧、野村勇太、斉藤和季、石本政男、村中俊哉
  • Organizer: 第30回イソプレノイド研究会
• [Presentation] ミヤコグサのベツリン酸生合成を制御するbHLH型転写因子の同定 (2020)
  • Author(s): 鈴木隼人、髙橋宏和、福島エリオデット、關 光、中園幹生、村中俊哉
  • Organizer: 第30回イソプレノイド研究会
• [Presentation] 植物セスキテルペンラクトンの生合成リデザイン (2019)
  • Author(s): 關 光
  • Organizer: 新学術領域研究「生合成リデザイン」第７回公開シンポジウム
• [Presentation] Identification of (+)-α-bisabolol and 7-epi-silphiperfol-5-ene synthases from Artemisia abrotanum (2019)
  • Author(s): Seki H, Muangphrom P, Misaki M, Suzuki M, Shimomura M, Suzuki H, Muranaka T
  • Organizer: 日本生薬学会第66回年会
• [Presentation] Identification of (+)-α-bisabolol and 7-epi-silphiperfol-5-ene synthases from Artemisia abrotanum (2019)
  • Author(s): Muangphrom P, Seki H, Misaki M, Suzuki M, Shimomura M, Suzuki H, Muranaka T
  • Organizer: 第37回日本植物細胞分子生物学会大会
• [Presentation] Comparative analysis of plant NADPH-cytochrome P450 reductase towards heterologous triterpenoid production in transgenic yeast (2019)
  • Author(s): Istiandari P, Fukushima EO, Yasumoto S, Seki H, Muranaka T
  • Organizer: 第37回日本植物細胞分子生物学会大会
• [Presentation] Bioinformatics platform and in vivo functional analysis to reveal the key amino acid of CYP716 family in triterpenoid biosynthesis (2019)
  • Author(s): Romsuk J, Fukushima EO, Yasumoto S, Seki H, Muranaka T
  • Organizer: 第37回日本植物細胞分子生物学会大会
• [Presentation] 酵母を生産ホストとしたアルテピリンC生合成リデザイン (2019)
  • Author(s): 柳原康希、棟方涼介、竹村知陽、市野琢爾、關 光、鈴木秀幸、杉山暁史、矢崎一史
  • Organizer: 第37回日本植物細胞分子生物学会大会