糸状菌二次代謝産物のユニークな構造形成に関わる新規酵素の同定と構造多様化への展開

• Project Area: Biosynthetic machinery: Deciphering and regulating the system for bioactive metabolite diversification
• Project/Area Number: 25108725
• 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: The Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 加藤 直樹 独立行政法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 研究員 (90442946)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥7,280,000 (Direct Cost: ¥5,600,000、Indirect Cost: ¥1,680,000); Fiscal Year 2014: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2013: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 糸状菌二次代謝 / 生合成遺伝子クラスター / PKS-NRPSハイブリッド / フサリセチン / Diels-Alderase / デカリン / 2ndFind

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、糸状菌PKS-NRPSハイブリッド酵素に由来するテトラミン酸ポリケチド化合物の生合成機構、特に特徴的な環構造形成に関わる酵素の同定とその生合成メカニズム解明を目的とした。前年度に引き続き、ユニークな五環性の縮合環構造を有するフサリセチンAの生合成経路解析に注力した。
その特徴的な環構造形成のプロセスは大きく２つに分けることができる。立体選択的なデカリン環形成と、テトラミン酸とデカリンから構成されるエキセチンのフサリセチンへの変換である。本年度は、前者のプロセスに関わる新規酵素遺伝子fsa2を発見した。エキセチンの骨格形成を担うPKS-NRPSハイブリッド酵素遺伝子fsa1に隣接するfsa2遺伝子は既知のタンパク質や機能モチーフとは相同性を示さず、その生合成経路における役割の推定が困難であった。そこでfsa2遺伝子を欠失させ、その代謝物生産を評価したところ、エキセチンの生産性が大きく損なわれることに加え、エキセチンの異性体の生産が認められた。その異性体の構造を各種二次元NMR、CD測定等により、cis-デカリン環を有するエキセチンのジアステレオマーであると決定した。この結果より、Fsa2がエキセチン生合成経路において、endo選択的なDiels-Alderaseとして機能していることが示唆された。
一方、後者のプロセスについては、fsaクラスターとその周辺の遺伝子すべてを対象とした遺伝子破壊実験を行ったが、エキセチンからフサリセチンAへの変換活性を失った変異株の取得には至らなかった、遺伝子クラスターを完全に欠失させた変異株にエキセチンを投与しても依然としてフサリセチンA生産が回復したことと合わせて考慮すると、変換に関わる酵素遺伝子はfsaクラスターとは別の場所に存在していることが判明した。

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] A new enzyme involved in the control of the stereochemistry in the decalin formation during equisetin biosynthesis. (2015)
  • Author(s): Kato N, Nogawa T, Hirota H, Jang JH, Takahashi S, Ahn JS, Osada H.
  • Journal Title: Biochem Biophys Res Commun Volume: 460 Issue: 2 Pages: 210-215
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2015.03.011
  • NAID: 130007491120
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genetic safeguard against mycotoxin production and cyclopiazonic acid biosynthesis in <i>Aspergillus oryzae</i> (2014)
  • Author(s): 加藤 直樹、徳岡 昌文、篠原 靖智、小山 泰二、長田 裕之
  • Journal Title: JSM Mycotoxins Volume: 64 Issue: 2 Pages: 197-206
  • DOI: 10.2520/myco.64.197
  • NAID: 130004699352
  • ISSN: 0285-1466, 1881-0128
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A Point Mutation in <i>ftmD</i> Blocks the Fumitremorgin Biosynthetic Pathway in <i>Aspergillus fumigatus</i> Strain Af293 (2013)
  • Author(s): Kato N, Suzuki H, Okumura H, Takahashi S, Osada H
  • Journal Title: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry Volume: 77 Issue: 5 Pages: 1061-1067
  • DOI: 10.1271/bbb.130026
  • NAID: 10031177597
  • ISSN: 0916-8451, 1347-6947
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 遺伝子ターゲティングによる糸状菌二次代謝産物生合成経路の全容解明 (2015)
  • Author(s): 加藤 直樹、高橋 俊二、長田 裕之
  • Organizer: 日本農芸化学会2015年度大会
  • Place of Presentation: 岡山大学
  • Year and Date: 2015-03-29
  • Invited
• [Presentation] Characterization of a-ketoglutarate-dependent dioxygenase FtmF catalyzing endoperoxide bond formation in fumitremorgin pathway (2015)
  • Author(s): Naoki Kato, Hideo Okumura, Shunji Takahashi, Hiroyuki Osada
  • Organizer: Natural product discovery & development in the post genomic era
  • Place of Presentation: 米国サンディエゴ
  • Year and Date: 2015-01-11
• [Presentation] エキセチンからフサリセチンAへの変換に関わる酵素遺伝子の探索 (2014)
  • Author(s): 加藤 直樹、Jae-Hyuk JANG、高橋俊二、Jong Seog AHN、長田裕之
  • Organizer: 第14回糸状菌分子生物学コンファレンス
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-16
• [Presentation] 糸状菌Fusarium sp. FN080326株由来フサリセチンA生合成遺伝子クラスターの解析 (2014)
  • Author(s): 加藤直樹，Jun-Pil JANG，Jae-Hyuk JANG，高橋俊二，Jong Seog AHN，長田裕之
  • Organizer: 日本農芸化学会2014年度大会
  • Place of Presentation: 明治大学生田キャンパス（神奈川県）
• [Presentation] 糸状菌Fusarium sp. FN080326株由来フサリセチンA生合成遺伝子クラスターの同定 (2013)
  • Author(s): 加藤直樹，Jun-Pil JANG，Jae-Hyuk JANG，高橋俊二，Jong Seog AHN，長田裕之
  • Organizer: 第13回糸状菌分子生物学コンファレンス
  • Place of Presentation: つくば国際会議場他（茨城県）
• [Remarks] 微生物が特定の形の代謝物を作るために必要な酵素遺伝子を発見
  • URL: http://www.riken.jp/pr/press/2015/20150428_2/