Chemical communications in microbial interactions and development of useful bioactive ligands

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Frontier research of chemical communications
• Project/Area Number: 17H06401
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 掛谷 秀昭 京都大学, 薬学研究科, 教授 (00270596)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 井本 正哉 順天堂大学, 医学(系)研究科(研究院), 特任教授 (60213253) ; 西村 慎一 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 講師 (30415260)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2022-03-31
• Keywords: 化学コミュニケーション / 天然物化学 / 複合培養 / 生物活性リガンド / 生合成

Outline of Annual Research Achievements

微生物が産生する二次代謝産物は、歴史上、有用なケミカルツール分子や創薬シーズになっている。しかし、これら二次代謝産物の本来の化学コミュニケーションに基づいた生物学的意義はほとんど解明されていない。そこで、本研究代表者らが見出した新規抗生物質5aTHQs及びSTAMsを生産可能な放線菌Streptomyces sp. HEK616とTsukamurella pulmonis TP-0596の複合培養系に加えて、複数の有用な複合培養系を確立した。特に、T. pulmonis TP-0596と希少放線菌Amicolatopsis sp. 26-4との複合培養により、高度に酸化された側鎖を有する新規環状デプシペプチドamycolapeptins A及びBを見出し、その化学構造を決定した。一方、引き続き、新規熱ショック代謝産物（HSMs）の探索研究と生合成機構の解析研究を行った。
さらに、本研究代表者らが開発した高感度ラベル化剤を活用したHighly-sensitive (HS)-advanced Marfey法を応用することで、極微量の化学コミュニケーション分子の検出に成功した。一方、領域内連携を活用して、引き続き、ベルコペプチンの細胞内化学シグナルの解析のためのケミカルジェネティクス的アプローチを行うとともに、がん幹細胞選択的に細胞死を誘導する複数の生物活性リガンドを見出した。さらに、ショウガ科ウコン由来のポリフェノール化合物であるクルクミンのプロドラッグ型水溶性化合物CMGが神経炎症の緩和に有効であることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

微生物間化学コミュニケーションの理解に有用な微生物の複合培養系のモデル系として、Streptomyces sp. HEK616とTsukamurella pulmonis TP-0596の系に加えて、新たに複数の有用な複合培養系を確立できたとともに、複数のHSMsの同定に成功した。特に、希少放線菌Amicolatopsis sp. 26-4との複合培養により、新規環状デプシペプチドamycolapeptins A及びBを見出した。一方、本研究代表者らが開発したHS-advanced Marfey法を応用することで、極微量の化学コミュニケーション分子の探索・同定に成功した。さらに、有用生物活性リガンドの開拓研究においても、がん幹細胞選択的に細胞死を誘導する複数の生物活性リガンドを見出すとともに、革新的プロドラッグ型抗がん剤CMGが神経炎症緩和効果を示すことを明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、下記の研究項目を設定し本研究課題を遂行する。
項目1：微生物間化学コミュニケーションの解析研究
引き続き、Tsukamurella pulmonis TP-0596と当研究室保有の放線菌ライブラリーの複合培養系を試み、新規化合物生産系を確立し、生産メカニズムや生物活性発現機構の解析等を行う。また、耐熱性放線菌が生産する熱ショック代謝産物（HSM）の生産メカニズムや生物活性発現機構解析等を行う。
項目2：有用生物活性リガンドの開拓研究
引き続き、これまでに見出した有用生物活性リガンドの生合成研究や合成研究を行うとともに、分子プローブ創製研究を行い、細胞内化学シグナルの解析を行う。また、引き続き、がん幹細胞、病原性真菌などを標的として、領域内リソースなどを活用して、有用生物活性リガンドの探索研究を行う。さらに、プロドラッグ型水溶性化合物CMGの希少疾患等における薬効解析などを行う。

Remarks

（1）は、本研究代表者の主宰研究室ホームページ

Research Products

• [Int'l Joint Research] トロント大学(カナダ)
  • Country Name: CANADA
  • Counterpart Institution: トロント大学
• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学(スイス)
  • Country Name: SWITZERLAND
  • Counterpart Institution: スイス連邦工科大学
• [Int'l Joint Research] プリンストン大学/ジョンズホプキンス(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: プリンストン大学/ジョンズホプキンス
• [Int'l Joint Research] ライプニッツ天然有機化合物研究所(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: ライプニッツ天然有機化合物研究所
• [Journal Article] Genomic and targeted approachs unveil the cell membrane as a major target of the antifungal cytotoxin amantelide A (2021)
  • Author(s): Elsadek, L.A., Matthews, J.H., Nishimura, S., Nakatani, T., Ito, A., Gu, T., Luo, D., Salvador-Reyes, L.A., Paul, V.J., Kakeya, H., Luesch, H.
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 22 Pages: 1790-1799
  • DOI: 10.1002/cbic.202000685
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Amycolapeptins A and B, cyclic nonadepsipeptides produced by combined-culture of Amicolatopsis sp. and Tsukamurella pulmonis (2021)
  • Author(s): Pan, C., Kuranaga, T., Cao, X., Suzuki, T., Dohmae, N., Shinzato, N., Onaka, H., Kakeya, H.
  • Journal Title: J. Org. Chem. Volume: 86 Pages: 1843-1849
  • DOI: 10.1021/acs.joc.0c02660
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Highly sensitive determination of amino acids by LC-MS under neutral conditions (2021)
  • Author(s): Morimoto, R., Matsumoto, T., Minote, M., Yanagisawa, M., Yamada, R., Kuranaga, T., Kakeya, H.
  • Journal Title: Chem. Pharm. Bull. Volume: 69 Pages: 265-270
  • DOI: 10.1248/cpb.c20-00958
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Amphiol, an antifungal pigment from Pseudogymnoascus sp. PF1464 (2021)
  • Author(s): Fujita, K., Ikuta, M., Nishimura, S., Sugiyama, R., Yoshimura, A., Kakeya, H.
  • Journal Title: J. Nat. Prod. Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1021/acs.jnatprod.0c01010
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Heterogenous chemosensitivity of organoid cell lines derived from small cell neuroendocrine carcinoma of the uterine cervix (2021)
  • Author(s): Tanaka, M., Kondo, J., Kaneko, K., Endo, H., Onuma, K., Coppo, R., Kamiura, S., Yoshino, K., Ueda, Y., Kakeya, H. Kimura, T., Inoue, M.
  • Journal Title: Human Cell Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1007/s13577-021-00511-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Retro-aza-Michael reaction of an o-aminophenol adduct in protic solvents inspired by natural products (2021)
  • Author(s): Takenaka, K., Kaneko, K., Takahashi, N., Nishimura, S., Kakeya, H.
  • Journal Title: Bioorg. Med. Chem. Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1016/j.bmc.2021.116059
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Longicatenamides A-D, two diastereomeric pairs of cyclic hexapeptides produced by combined-culture of Streptomyces sp. KUSC_F05 and Tsukamurella pulmonis TP-B0596 (2021)
  • Author(s): Jiang, Y., Matsumoto, T., Kuranaga, T., Lu, S., Wang, W., Onaka, H., Kakeya, H.
  • Journal Title: J. Antibiot. Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1038/s41429-020-00400-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of the highly sensitive labeling reagent to the structural confirmation of readily isomerizable peptides (2021)
  • Author(s): an, C., Kuranaga, T., Kakeya, H.
  • Journal Title: J. Nat. Med. Volume: 75 Pages: 339-343
  • DOI: 10.1007/s11418-020-01472-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The effects of 5-OP-RU stereochemistry on its stability and MAIT-MR1 axis (2021)
  • Author(s): Matsuoka, T., Motozono, C., Hattori, A., Kakeya, H., Yamasaki, S., Oishi, S., Ohno, H., Inuki, S.
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 22 Pages: 672-678
  • DOI: 10.1002/cbic.202000466
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Highly sensitive labeling reagents for scarce natural products (2020)
  • Author(s): Kuranaga, T., Minote, M., Morimoto, R., Pan, C., Ogawa, H., Kakeya, H
  • Journal Title: ACS Chem. Biol. Volume: 15 Pages: 2499-2506
  • DOI: 10.1021/acschembio.0c00517
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Total synthesis of thioamycolamide A via a biomimetic route (2020)
  • Author(s): Pan, C., Kuranaga, T., Kakeya, H.
  • Journal Title: Org. Biomol. Chem. Volume: 18 Pages: 8366-8370
  • DOI: 10.1039/d0ob01942a
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Miclxin, a novel MIC60 inhibitor, induces apoptosis via mitochondrial stress in beta-catenin mutant tumor cells (2020)
  • Author(s): Ikeda, H., Muroi, M., Kondoh, Y., Ishikawa, S., Kakeya, H., Osada, H., Imoto, M.
  • Journal Title: ACS Chem. Biol. Volume: 15 Pages: 2195-2204
  • DOI: 10.1021/acschembio.0c00381
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Methylation deficiency disrupts biological rhythms from bacteria to humans (2020)
  • Author(s): Fustin, J.M., Ye, S., Rakers, C., Kaneko, K., Fukumoto, K., et al., Kakeya, H., Van Ooijen, G., Okamura, H.
  • Journal Title: Commun. Biol. Volume: 3 Pages: 211
  • DOI: 10.1038/s42003-0200942-0
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The synthetic curcumin analogue GO-Y030 effectively suppresses the development of pressure overload-induced heart failure in mice (2020)
  • Author(s): Shimizu, K., Funamoto, M., Sunagawa, Y., Wakabayashi, H., Genpei, M., Miyazaki, Y., Katanasaka, Y., Sari, N., Shimizu, S., Katayama, A., Moki, H., Shibata, H., Iwabuchi, Y., Kakeya, H., Wada, H., Hasegawa, K., Morimoto, T.
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 10 Pages: 7172
  • DOI: 10.1038/s41598-020-64207-w
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Curcumin beta-D-glucuronide (CMG) exhibits anti-tumor effects on oxaliplatin-resistant colon cancer with less toxicity (2020)
  • Author(s): Ozawa-Umeta, H., Kishimoto, A., Imaizumi, A., Hashimoto, T., Kakeya, H., Kanai, M.
  • Journal Title: Cancer Sci. Volume: 111 Pages: 1785-1793
  • DOI: 10.1111/cas.14383
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thioamycolamides A-E, Sulfur-Containing Cycliclipopeptides Produced by the Rare Actinomycete Amycolatopsis sp. (2020)
  • Author(s): Pan, C., Kuranaga, T., Liu, C., Lu, S., Shinzato, N., Kakeya, H.
  • Journal Title: Org. Lett. Volume: 22 Pages: 3014-3017
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.0c00776
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Serinr catabolism produce ROS, sensitizes cells to actin dysfunction, and suppresses cell growth in fission yeast. (2020)
  • Author(s): Kanou, A., Nishimura, S., Tabuchi, T., Matsuyama, A., Yoshida, M., Kato, T., Kakeya, H.
  • Journal Title: J. Antibiot. Volume: 73 Pages: 574-580
  • DOI: 10.1038/s41429-020-0305-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Different localization of lysosomal-associated membrane protein 1(LAMP1) in mammalian cultured cell lines. (2020)
  • Author(s): Baba, K., Kuwada, S., Nakao, A., Li, X., Okuda, A., Nishida, A., Matsuda, S., Fukuoka, N., Kakeya, H., Kataoka, T.
  • Journal Title: Histochem. Cell. Biol. Volume: 153 Pages: 199-213
  • DOI: 10.1007/s00418-019-01842-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A chemical genomics-aggrephagy integrated method studying functional analysis of autophagy inducers (2020)
  • Author(s): Kataura, T., Tashiro, E., Nishikawa, S., Shibahara, K., Muraoka, Y., Miura, M., Sakai, S., Katoh, N., Totsuka, M., Onodera, M., Shin-ya, K., Miyamoto, K., Sasazawa, Y., Hattori, N., Saiki, S., Imoto, M.
  • Journal Title: Autophagy Volume: 7 Pages: 1-7
  • DOI: 10.1080/15548627.2020.1794590
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] BRUP-1, an intracellular bilirubin modulator, exerts neuroprotective activity in a cellular Parkinson’s disease model (2020)
  • Author(s): Kataura, T., Saiki, S., Ishikawa, K., Akamatsu, W., Sasazawa, Y., Hattori, N., Imoto, M.
  • Journal Title: J. Neurochemistry Volume: 155 Pages: 81-97
  • DOI: 10.1111/jnc.14997
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Discovery of “heat shock metabolites” produced by thermotolerant actinomycetes in high-temperature culture (2020)
  • Author(s): Saito S, Kato W, Ikeda H, Katsuyama Y, *Ohnishi Y, *Imoto M.
  • Journal Title: J. Antibiot. Volume: 73 Pages: 203-210
  • DOI: 10.1038/s41429-020-0279-4
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ピラゾール骨格を有する新規低酸素誘導因子HIF-1阻害剤の開発研究 (2021)
  • Author(s): 酒井麻利奈, 高橋伸明, 古谷 裕, 鈴木健裕, 堂前 直, 小林清香, 服部 明, 原田 浩, 掛谷秀昭
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] がん幹細胞を標的とした抗がん剤シーズ探索系の構築 (2021)
  • Author(s): 池田拓慧, 川見美里, 井本正哉, 掛谷秀昭
  • Organizer: 日本薬学会第141年会
• [Presentation] 自然に学ぶ生理化学研究：分子プローブ開発と創薬 (2020)
  • Author(s): 掛谷秀昭
  • Organizer: 京都大学学際融合教育推進センター・生理化学研究ユニット第10回公開シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Discovery of sulfur-containing cyclic lipopeptides thioamycolamides A-E, producedby the rare ctinomycete Amycolatopsis sp. (2020)
  • Author(s): Pan, C., Kuranaga, T., Liu, C., Lu, S., Shinzato, N., Kakeya, H
  • Organizer: The 62nd Symposium on the Chemistry of Natural Products
• [Remarks] 京都大学大学院薬学研究科 医薬創成情報科学専攻 システムケモセラピー（制御分子学）分野
  • URL: https://www.pharm.kyoto-u.ac.jp/sc-molsci/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 含窒素複素環式化合物 (2020)
  • Inventor(s): 掛谷秀昭, 酒井麻利奈, 古谷 裕
  • Industrial Property Rights Holder: 掛谷秀昭, 酒井麻利奈, 古谷 裕
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2020-209649