新奇アーキア酵素を活用した非天然イソプレノイドの生合成マシナリー

• Project Area: Biosynthetic machinery: Deciphering and regulating the system for bioactive metabolite diversification
• Project/Area Number: 25108712
• 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: Nagoya University
• Principal Investigator: 邊見 久 名古屋大学, 生命農学研究科, 准教授 (60302189)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2014: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2013: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: イソプレノイド / アーキア / 大腸菌 / ゲラニルレダクターゼ / アーキア脂質 / 膜脂質 / 生合成マシナリー / 糖キャリア脂質 / 呼吸鎖キノン / メバロン酸経路

Outline of Annual Research Achievements

アーキアが持つイソプレノイド代謝酵素を利用し、大腸菌において新奇イソプレノイド生合成マシナリーを構築することを目的とした研究を行った。主要な結果は以下の通りである。
１）メタン生成アーキアMethanosarcina acetivoransに存在するフィトエンデサチュラーゼのホモログが、アーキア膜脂質前駆体を含む、ゲラニルゲラニル基を有する化合物群を基質とするゲラニルゲラニルレダクターゼ（GGR）であることを見出した。同酵素は既知のGGRとは相同性を持たず、さらに、ゲラニルゲラニル基中の3-4個の二重結合を還元する既知GGRと異なり、ω末端の二重結合のみを選択的に還元する新奇酵素であった。
２）M. acetivoransの遺伝子を複数大腸菌中で発現させることで、水酸化イソプレノイド鎖を含むアーキア型脂質を与える生合成マシナリーの構築に成功した。構造解析の結果、同脂質中では一方のプレニル基の3位に水酸基が存在していることが分かった。この結果より、同脂質がMethanosarcina属アーキアとその近縁種に特異的なヒドロキシアーキオール脂質の前駆体となることが推察された。
３）好熱性アーキアThermoplasma acidophilumにおいて、既知のメバロン酸経路のいずれとも異なる新規なメバロン酸経路が利用されていることを実証し、同経路の酵素としてメバロン酸3-キナーゼの同定に成功した。
４）好熱性アーキアSulfolobus solfataricus由来のジホスホメバロン酸デカルボキシラーゼの構造解析に成功した。同構造中に存在するジスルフィド結合が、S. solfataricus菌体内でも形成されており、さらに同酵素の耐熱性を向上させることを示した。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] (R)-mevalonate 3-phosphate is an intermediate of the mevalonate pathway in Thermoplasma acidophilum (2014)
  • Author(s): Azami, Y. et al.
  • Journal Title: Journal of Biological Chemistry Volume: in press Issue: 23 Pages: 15957-15967
  • DOI: 10.1074/jbc.m114.562686
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A novel geranylgeranyl reductase from the methanogenic archaeon Methanosarcina acetivorans displays unique regiospecificity. (2014)
  • Author(s): Ogawa Takuya, Isobe Keisuke, Mori Takeshi, Asakawa Susumu, Yoshimura Tohru, Hemmi Hisashi
  • Journal Title: FEBS Journal Volume: 281 Issue: 14 Pages: 3165-3176
  • DOI: 10.1111/febs.12851
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Geranylgeranyl reductase and ferredoxin from Methanosarcina acetivorans are required for the synthesis of fully reduced archaeal membrane lipid in Escherichia coli cells. (2014)
  • Author(s): Isobe, K. et al.
  • Journal Title: Journal of Bacteriology Volume: 196 Issue: 2 Pages: 417-423
  • DOI: 10.1128/jb.00927-13
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Substrate specificity of undecaprenyl diphosphate synthase from the hyperthermophilic archaeon Aeropyrum pernix. (2013)
  • Author(s): Mori, T. et al.
  • Journal Title: Biochemical and Biophysical Research Communications Volume: 436 Issue: 2 Pages: 230-234
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2013.05.081
  • Peer Reviewed
• [Presentation] メタン生成アーキア由来のシス型プレニルトランスフェラーゼホモログに触媒されるhead-to-tail型およびnon-head-to-tail型縮合 (2015)
  • Author(s): 小川拓哉、吉村 徹、邊見 久
  • Organizer: 2015年度日本農芸化学会大会
  • Place of Presentation: 岡山大学津島キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-26 – 2015-03-29
• [Presentation] 新奇アーキア酵素を活用した非天然イソプレノイドの生合成マシナリー (2014)
  • Author(s): 邊見 久
  • Organizer: 新学術領域「生合成マシナリー」第８回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学薬学部
  • Year and Date: 2014-12-05 – 2014-12-06
• [Presentation] Mevalonate 3-phosphate is an intermediate of the mevalonate pathway in the thermophilic archaeon Themoplasma acidophilum (2014)
  • Author(s): Hisashi Hemmi, Yasuhiro Azami, Ai Hattori, Hiroto Nishimura, Hiroshi Kawaide, Tohru Yoshimura
  • Organizer: Japan-Italy Joint Symposium: New Trends in Science and Engineering of Enzyme and Microbiology for Sustainable Society
  • Place of Presentation: Todaiji Museum, Nara
  • Year and Date: 2014-11-05 – 2014-11-06
• [Presentation] Identification and application of a novel, regiospecific geranylgeranyl reductase from the methanogenic archaeon Methanosarcina acetivorans (2014)
  • Author(s): Takuya Ogawa, Keisuke Isobe, Susumu Asakawa, Tohru Yoshimura, Hisashi Hemmi
  • Organizer: Japan-Italy Joint Symposium: New Trends in Science and Engineering of Enzyme and Microbiology for Sustainable Society
  • Place of Presentation: Todaiji Museum, Nara
  • Year and Date: 2014-11-05 – 2014-11-06
• [Presentation] 好熱性アーキア由来ジホスホメバロン酸デカルボキシラーゼの構造機能研究 (2014)
  • Author(s): 服部 愛、海野英昭、吉村 徹、邊見 久
  • Organizer: 第87回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 京都国際会館
  • Year and Date: 2014-10-15 – 2014-10-18
• [Presentation] メタン生成アーキア由来の新奇ゲラニルゲラニル基還元酵素を用いた非天然化合物の創出 (2014)
  • Author(s): 小川拓哉、磯部圭祐、森 健、浅川 晋、吉村 徹、邊見 久
  • Organizer: 第87回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: 京都国際会館
  • Year and Date: 2014-10-15 – 2014-10-18
• [Presentation] ヒドロキシアーキオールコア脂質の生合成に関する研究 (2014)
  • Author(s): 森 健、磯部圭祐、吉村 徹、邊見 久
  • Organizer: 日本農芸化学会中部支部第171回例会
  • Place of Presentation: 名古屋大学シンポジオンホール
  • Year and Date: 2014-10-11
• [Presentation] 新奇アーキア酵素を活用した非天然イソプレノイドの生合成マシナリー (2014)
  • Author(s): 邊見 久
  • Organizer: 新学術領域「生合成マシナリー」第７回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京工業大学蔵前会館
  • Year and Date: 2014-06-21 – 2014-06-22
• [Presentation] メタン生成アーキア由来新奇プレニル基還元酵素の生理的役割 (2014)
  • Author(s): 小川拓哉、磯部圭祐、吉村 徹、邊見 久
  • Organizer: 日本ビタミン学会第６６回大会
  • Place of Presentation: 姫路商工会議所
  • Year and Date: 2014-06-13 – 2014-06-14
• [Presentation] A third alternative mevalonate pathway from Thermoplasma acidophilum (2014)
  • Author(s): Hisashi Hemmi et al.
  • Organizer: US-Japan Seminar on the Biosynthesis of Natural Products for Young Researchers
  • Place of Presentation: Tokyo Technology Institute, Tokyo, Japan
• [Presentation] A novel type of prenyl reductase from a methanogenic archaeon Methanosarcina acetivorans displays unique regiospecificity (2014)
  • Author(s): Takuya Ogawa et al.
  • Organizer: US-Japan Seminar on the Biosynthesis of Natural Products for Young Researchers
  • Place of Presentation: Tokyo Technology Institute, Tokyo, Japan
• [Presentation] メタン生成アーキアの膜脂質生合成に関わるフェレドキシンの特性評価 (2014)
  • Author(s): 廣瀬加奈ら
  • Organizer: 2014年度日本農芸化学会大会
  • Place of Presentation: 明治大学
• [Presentation] 大腸菌をプラットフォームとしたアーキア特異的イソプレノイド脂質の生合成研究 (2014)
  • Author(s): 邊見 久
  • Organizer: 2014年度日本農芸化学会大会
  • Place of Presentation: 明治大学
  • Invited
• [Presentation] バクテリア細胞中における完全飽和アーキア脂質の生合成 (2013)
  • Author(s): 邊見 久ら
  • Organizer: 日本Archaea研究会第２６回講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
• [Presentation] Biosynthesis of intact archaeal membrane lipid in bacterial cells (2013)
  • Author(s): Hisashi Hemmi et al.
  • Organizer: Gordon Research Conference on Archaea: Ecology, Metabolism & Molecular Biology
  • Place of Presentation: Il Ciocco Tuscany Resort, Lucca (Barga), Italy
• [Presentation] Exploring novel enzymes involved in archaeal membrane lipid biosynthesis (2013)
  • Author(s): Takuya Ogawa et al.
  • Organizer: Gordon Research Conference on Archaea: Ecology, Metabolism & Molecular Biology
  • Place of Presentation: Il Ciocco Tuscany Resort, Lucca (Barga), Italy
• [Presentation] 新規なアプローチによるアーキア膜脂質の生合成研究 (2013)
  • Author(s): 邊見 久
  • Organizer: 第８６回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Invited
• [Presentation] 好熱性アーキア由来ジホスホメバロン酸デカルボキシラーゼの結晶構造解析 (2013)
  • Author(s): 服部 愛ら
  • Organizer: 第８６回日本生化学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
• [Presentation] 好熱好酸性アーキアSulfolobus solfataricus由来ジホスホメバロン酸デカルボキシラーゼの立体構造 (2013)
  • Author(s): 服部 愛ら
  • Organizer: 第２３回イソプレノイド研究会例会
  • Place of Presentation: 東京大学
• [Presentation] 超好熱性アーキアAeropyrum pernixにおけるプレニル二リン酸合成酵素の機能解析 (2013)
  • Author(s): 森 健ら
  • Organizer: 第６５回日本生物工学会大会
  • Place of Presentation: 広島国際会議場
• [Presentation] メタン生成アーキアMethanosarcina acetivorans由来新奇プレニルレダクターゼの機能解析 (2013)
  • Author(s): 小川拓哉ら
  • Organizer: 農芸化学会中部支部第１６８回例会
  • Place of Presentation: 名古屋大学
• [Book] 生体膜の分子機構：リピッドワールドが先導する生命科学 (2014)
  • Author(s): 邊見 久ら
  • Total Pages: 251
  • Publisher: 化学同人