メロテルペノイド生合成アセンブリーラインの解明と制御

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Biosynthetic machinery: Deciphering and regulating the system for bioactive metabolite diversification
• Project/Area Number: 22108004
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 阿部 郁朗 東京大学, 薬学研究科(研究院), 教授 (40305496)
• Project Period (FY): 2010-06-23 – 2015-03-31
• Keywords: メロテルペノイド / 生合成 / 遺伝子クラスター / 機能制御 / 多様性創出

Research Abstract

本研究では、人為的な機能制御と分子多様性創出の格好のモデルともいえる、糸状菌由来メロテルペノイド生合成遺伝子クラスターをとりあげた。テルペノイドとポリケタイドのハイブリッド型化合物であるメロテルペノイドは、テルペノイドとポリケタイドそれぞれの多様性を相乗した分子構造多様性を有する可能性を秘めている。これまでに我々は糸状菌Aspergillus fumigatus由来ピリピロペンおよびAspergillus terreus由来テレトニンの生合成遺伝子クラスターを同定し、その異種発現系の構築を完了した。さらに、各種生合成酵素の精密機能解析に着手し、テレトニン生合成においては、中間体のカルボキシル基のメチルエステル化が、環化反応に必須であることなどを明らかにした。
一方、3,5-ジメチルオルセリン酸を共通の生合成中間体とするメロテルペノイドには、テレトニン以外にもaustinol，andrastin Aなど、多様な骨格が知られており、テルペノイド部位の環化様式や環化後の種々の修飾反応の多様性により、これら化合物群の構造多様性が生み出される。昨年度は、テレトニンに加えて、austinolとandrastin Aについても、麹菌Aspergillus oryzae を宿主として、遺伝子異種発現・物質生産系を構築し、メロテルペノイドの構造多様性を生み出す、閉環様式を異にする環化酵素や、閉環後の修飾反応に関わる酵素群の探索ならびに機能解析を行った。なかでもaustinol生合成においては、スピロ環形成と多段階の酸化反応を触媒する特異な新規多機能型ジオキシゲナーゼを見出し、その精密機能解析に成功した。さらに、andrastin A生合成に関しては、A. oryzaeにおける異種発現系を構築し、その生物的全合成を達成した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

所期の目的をほぼ達成することができている。また、新たに、糸状菌のゲノム配列を決定し、アンジベニンなど、新規メロテルペノイド生合成遺伝子クラスターの取得にも成功した。

Strategy for Future Research Activity

以下の項目について、最終年度のとりまとめを行う。
①酵素の精密機能解析と反応機構の解明　糸状菌由来メロテルペノイドであるピリピロペン、テレトニン等の生合成遺伝子クラスターを構成する各酵素について、精密機能解析を行い、酵素反応機構の解明とメロテルペノイド分子多様性創出をめざす。
②基質特異性と潜在的触媒能力を利用したコンビナトリアル生合成　二次代謝酵素が示す最大の特徴の一つに、その寛容な基質特異性と潜在的触媒能力が挙げられる。従って、こうした寛容な基質特異性の甘さを利用して、一連の人工基質を酵素に作用させることにより、非天然型新規化合物ライブラリーの構築をめざす。
③ 立体構造基盤の確立と合理的酵素触媒機能の改変　酵素触媒機能の制御を行う上で、正確な立体構造情報は不可欠である。そこで生合成系の鍵となる環化酵素、酸化酵素などについて、酵素タンパクの結晶化を行い、Ｘ線結晶構造解析による立体構造基盤の確立をめざす。さらに、立体構造情報に基づく合理的な変異の導入により、酵素触媒機能の拡張と最適化をはかる。
④ 有用物質生産系の構築と醗酵工学等への展開　物質生産への展開を考えた場合、今後クリアすべき問題の一つに生産効率の向上が挙げられる。本研究では酵母や麹菌などを生産工場としたコンビナトリアルな物質生産系を構築し、新機能賦与微生物の作出による実用に供する物質生産系の構築をめざす。

Research Products

• [Journal Article] An environmental bacterial taxon with a large and distinct metabolic repertoire (2014)
  • Author(s): Wilson, M. C., Mori, T., Ruckert, C., Uria, A. R., Helf, M. J., Takada, K., Gernert, C., Steffens, U. A. E., Heycke, N., Schmitt, S., Rinke, C., Helfrich, E. J. N., Brachmann, A. O., Gurgui, C., Wakimoto. T., Kracht, M., Crusemann, M., Hentschel, U., Abe, I., Matsunaga, S., Kalinowski, J., Takeyama, H., Piel, J.
  • Journal Title: Nature Volume: 506 Pages: 58-62
  • DOI: 10.1038/nature12959
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Spiro-ring formation is catalyzed by a multifunctional dioxygenase in austinol biosynthesis (2013)
  • Author(s): Matsuda, Y., Awakawa, T., Wakimoto, T., Abe, I.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 135 Pages: 10962-10965
  • DOI: 10.1021/ja405518u
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reconstituted biosynthesis of fungal meroterpenoid andrastin A (2013)
  • Author(s): Matsuda, Y., Awakawa, T., Abe, I.
  • Journal Title: Tetrahedron Volume: 69 Pages: 8199-8204
  • DOI: org/10.1016/j.tet.2013.07.029
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cloning and structure-function analyses of quinolone- and acridone-producing novel type III polyketide synthases from Citrus microcarpa (2013)
  • Author(s): Mori, T., Shimokawa, Y., Matsui, T., Kinjo, K., Kato, R., Noguchi, H., Sugio, S., Morita, H., Abe, I.
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 288 Pages: 28845-28858
  • DOI: 10.1074/jbc.M113.493155
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Multiplexing of combinatorial chemistry in antimycin biosynthesis expands the molecular diversity and utility (2013)
  • Author(s): Yan Y., Chen, J., Zhang, L., Zheng, Q., Han, Y., Zhang, H., Awakawa, T., Abe, I., Liu, W.
  • Journal Title: Angew. Chem. Int. Ed. Volume: 52 Pages: 12308-12312
  • DOI: 10.1002/anie.201305569
  • Peer Reviewed
• [Presentation] メロテルペノイド生合成マシナリーの解明と制御 (2014)
  • Author(s): 阿部郁朗
  • Organizer: 日本薬学会 第134回年会（熊本）シンポジウム 「天然物化学の新潮流と将来への展望」
  • Place of Presentation: 熊本県熊本市
  • Year and Date: 20140327-20140330
  • Invited
• [Presentation] メロテルペノイド生合成マシナリーの解明と制御 (2014)
  • Author(s): 阿部郁朗
  • Organizer: 日本化学会第94春期年会特別企画「バイオインフォマティクスを駆使した生物活性天然物の供給への挑戦」
  • Place of Presentation: 愛知県名古屋市
  • Year and Date: 20140327-20140330
  • Invited
• [Presentation] Engineered biosynthesis of medicinal natural products (2013)
  • Author(s): Abe, I.
  • Organizer: 8. International Conference on Medicinal Chemistry and Timmerman Award 2013
  • Place of Presentation: Jakarta, Indonesia
  • Year and Date: 20131029-20131030
  • Invited
• [Presentation] Expanding the catalytic repertoires of biosynthetic enzymes (2013)
  • Author(s): Abe, I.
  • Organizer: Enzyme Engineering XXII: Emerging topics in Enzyme Engineering
  • Place of Presentation: 富山県富山市
  • Year and Date: 20130922-20130926
  • Invited
• [Presentation] Biosynthesis of fungal meroterpenoids (2013)
  • Author(s): Abe, I.
  • Organizer: TERPNET2013, Biosynthesis, Function and Biotechnology of Isoprenoids in Terrestrial and Marine Organisms
  • Place of Presentation: Kolymvari, Crete, Greece
  • Year and Date: 20130601-20130605
• [Book] Natural Products: Discourse, Diversity and Design (分担執筆) (2014)
  • Author(s): Abe, I.
  • Total Pages: 300
  • Publisher: Wiley
• [Book] Biosynthesis and Molecular Genetics of Fungal Secondary Metabolites (分担執筆) (2014)
  • Author(s): Abe, I., Matsuda, Y.
  • Total Pages: 300
  • Publisher: Springer
• [Remarks] 東京大学大学院薬学系研究科天然物化学教室
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~tennen/head.htm