2017 Fiscal Year Research-status Report
清酒酵母において見出されたTORシグナルを介した高発酵メカニズムの解明とその応用
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16K18676
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
渡辺 大輔 奈良先端科学技術大学院大学, バイオサイエンス研究科, 助教 (30527148)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | TORシグナル / TORC1 / アルコール発酵 / Rim15p / アミノ酸合成 / アミノ酸取込み / 酵母 / 解糖系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度までに、TORシグナルの下流因子のうち、発酵阻害の鍵を握るRim15pプロテインキナーゼに加え、アミノ酸の生合成・取込みに関連する遺伝子の発現誘導を司る転写因子Gcn4p/Gln3p/Gat1pも、発酵調節における「ブレーキ」として機能することを見出した。そこで本年度は、細胞内アミノ酸レベルとアルコール発酵の関係に着目して解析を行った。その結果、まず、TORC1の高活性化やGln3p/Gat1pの欠損により実際に発酵中のアミノ酸レベルが低下することが示された。一方、Rim15pの欠損は影響を及ぼさなかった。また、アンモニアからのアミノ酸の新規合成に重要なグルタミン酸デヒドロゲナーゼGdh1/2/3pの欠損は発酵力を上昇させ、細胞外からのアミノ酸の取込みを行うアミノ酸パーミアーゼGap1の機能亢進は発酵力を低下させた。以上の結果から、TORシグナルは、Rim15pを介した経路とは独立に、細胞内アミノ酸プールを減少させることで発酵力を高めるという、新規な発酵調節メカニズムを明らかにすることができた。
また、Rim15pの下流経路についてさらに詳細な解析も実施した。Rim15pは、酵母からヒトに至るまで広く保存されたGreatwallファミリーに属し、下流に共通の細胞周期調節経路（α-エンドスルフィン-B55δ結合型プロテインフォスファターゼ2A）を有することが報告されている。遺伝子破壊株を用いた発酵試験の結果、これらが発酵力にも影響を及ぼすことを初めて明らかにした。さらに、現在までの研究で用いた出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeとは系統的に異なる分裂酵母Schizosaccharomyces pombeにおいても、同等の経路が発酵調節に関与していた。以上の結果から、真核生物に共通の解糖系／炭素代謝調節経路の解明につながる新規な知見が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
前年度の研究において細胞内アミノ酸プールが発酵調節に関与する可能性が示唆されたため、本年度は、アミノ酸合成・取込みの変異株を用いて、発酵速度および発酵中における細胞内アミノ酸レベルの測定を実施し、その仮説を証明するに至った。この知見は、アルコール発酵という炭素代謝経路が、細胞内アミノ酸の状態を反映して制御されることを表しており、炭素-窒素代謝クロストーク調節におけるTORシグナリングの意義の解明に近づくことができた。さらに、当初の研究計画からさらに踏み込んだ内容として、Rim15pの下流で働く、真核生物に共通のα-エンドスルフィン-B55δ結合型プロテインフォスファターゼ2A経路に着目し、発酵調節への関与を明らかにすることができた。以上をまとめると、TORC1の下流で、Rim15pを介した新規経路と、Rim15pを介さずに細胞内アミノ酸プールに作用する経路の両者が独立に発酵力に作用するという、発酵調節メカニズムの全体像が示されたことになる。これらの因子やシグナル伝達経路は真核生物において高度に保存されており、清酒酵母の研究を端緒として、他種の生物における代謝調節メカニズムの解明にも資する知見に辿り着いたことは特筆すべき進捗状況であると思われる。当初計画のうち、基礎研究に属する主要な項目についてはほぼ完了し、さらなる発展を目指している状況である。TORC1およびRim15pを介した発酵調節メカニズムに関する内容を中心に、原著論文の掲載や複数の学会発表を行うことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、当初計画の中でも応用研究のウェイトを高めつつ研究を遂行していく。清酒酵母の高発酵メカニズムの解明では、現在までに見出した発酵調節因子をコードする遺伝子上に、清酒酵母に特異的な変異が存在する可能性を想定し、その探索と、発酵力への影響の解析を継続して行う。計画時には、RIM15遺伝子上の機能欠損のみが清酒酵母の高発酵力を生み出す主要な要因であると考えていたが、本研究の進展によってさらに深いレベルの理解に到達し、醸造技術の基盤に貢献する知見が得られると期待される。また、清酒酵母以外の実用酵母菌株にも、本研究を通して明らかとなってきた有用な変異等を導入して、清酒醸造以外の発酵環境における発酵力への影響を調べる。特に、発酵調節を握る鍵因子（TORC1、Rim15p、プロテインフォスファターゼ2A、アミノ酸パーミアーゼなど）については、入手可能な阻害剤を用いて変異株のスクリーニング法に関する検討を行い、非遺伝子組換え技術を用いた人為的な発酵力改変を容易にする育種技術の開発を目指す。
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Research Products
(24 results)
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[Journal Article] Phenotypic diagnosis of lineage and differentiation during sake yeast breeding2017
Author(s)
Shinsuke Ohnuki, Hiroki Okada, Anne Friedrich, Yoichiro Kanno, Tetsuya Goshima, Hirokazu Hasuda, Masaaki Inahashi, Naoto Okazaki, Hiroyasu Tamura, Ryo Nakamura, Dai Hirata, Hisashi Fukuda, Hitoshi Shimoi, Katsuhiko Kitamoto, Daisuke Watanabe, Joseph Schacherer, Takeshi Akao, Yoshikazu Ohya
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Journal Title
G3 (Bethesda)
Volume: 7
Pages: 2807-2820
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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