2018 Fiscal Year Annual Research Report
Novel pathway of coenzyme Q biosynthesis
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17H03806
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| Research Institution | Shimane University |
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Principal Investigator |
川向 誠 島根大学, 学術研究院農生命科学系, 教授 (70186138)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村井 正俊 京都大学, 農学研究科, 助教 (80543925)
戒能 智宏 島根大学, 学術研究院農生命科学系, 准教授 (90541706)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | coenzyme Q / ubiquinone / fission yeast / S. pome |
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| Outline of Annual Research Achievements |
コエンザイムQ（ユビキノン、CoQ）は、グラム陽性菌等メナキノンを有する細菌類を除いて、ほぼ全ての生物が有する電子伝達系の成分としてATP合成に必要な生体内物質である。CoQは、UMP合成経路のデヒドロオロテートデヒドロゲナーゼや硫化水素生成に関わるサルファイドキノンレダクターぜなどの酸化還元酵素の補酵素としても働く。イソプレン１０単位の側鎖を有するCoQ10は人は自身で合成できるが、その量は加齢とともに減少することから、サプリメントとして補うと効果的である。一方、CoQ10の合成量が低下している患者がミトコンドリア脳筋症になるということが報告され、CoQ生合成と遺伝病との関連性が非常に注目されている。CoQ生合成の解明にはモデル生物である酵母での解析を進めることが重要で、その知見を人のCoQ生合成経路の理解へと発展させることを目標としている。分裂酵母はCoQ10を合成し、CoQ生合成に関わる遺伝子を破壊した時に反応直前の前駆体らしき物質が蓄積することがあり、研究対象としての分裂酵母には大きな利点がある。本研究では、ミトコンドリに局在するタンパク質をコードする遺伝子の破壊株、約４００株のCoQ量を測定したところ、既知のCoQ合成に関わる遺伝子（dps1, dlp1, coq2-coq9）以外に新たな生合成に関わる遺伝子を発見した。それらの遺伝子をcoq11,coq12と命名し解析を進めたところ、それらの遺伝子欠損株では、少量のCoQ10を合成し完全には欠損にはならないが、coq12破壊株では上流のPHBを添加することによりCoQ10の合成量が回復し、coq11遺伝子破壊株ではそのような表現型は観察されなかった。CoQ10合成経路に関わる新規な遺伝子を発見することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
分裂酵母は、人と同じ種類のCoQ10を合成する酵母として、かつ遺伝学的な解析が容易な微生物として、CoQ10生産を考える上でも、生合成経路を理解する基礎的な側面においても重要な研究対象である。分裂酵母の生合成には、dps1, dlp1, coq2-coq9遺伝子が関わることをこれまでに明らかにしているが、それぞれの遺伝子欠損株での中間体の蓄積を詳細に解析した結果を得ている。本研究では、ミトコンドリに局在するタンパク質をコードする遺伝子の破壊株、約４００株のCoQ量を測定したところ、既知のCoQ合成に関わる遺伝子とCoQ結合タンパク質をコードするcoq10以外に、新たな生合成に関わる遺伝子を発見した。それらの遺伝子をcoq11,coq12と命名し解析を進めところ、いずれの欠損株でも、少量のCoQ10を合成し完全にはCoQ欠損にはならなかった。coq11遺伝子破壊株では、最小培地での生育が良く、他の欠損株と表現型が異なっており、coq12破壊株では上流のparahydorxy安息香酸（PHB）を添加することによりCoQ10の合成量が回復した。PHBはCoQ生合成の上流に位置し、Coq2タンパク質によって、イソプレノイド鎖と縮合される際の基質となる。PHBの合成経路に関しては、著しく知見が不足しており、チロシンから何段階を経て合成されるのかも解明されていない。今回の発見により、これまでに知られていないPHBの上流の合成経路の解明が可能になると考えている。今回、CoQ10合成経路に関わる新規な遺伝子を発見することに成功したことから、CoQ10の生合成の解明に大きな進展があり、順調に研究は進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
コエンザイムQ（CoQ）の生合成に関する知見は大腸菌と酵母の変異株の解析から進展してきている。大腸菌は原核生物の代表として、基本的な代謝経路は明らかにされているが、酵母においては代謝経路の不明な点が残っており、真核生物の基本的な合成経路は完全には解明されていない。分裂酵母はCoQ10を合成する生物種であることから、人の生合成を理解する上でも、将来生産菌として使用する点においても他の真核生物よりも優位性がある。分裂酵母の各種CoQ合成欠損株（dps1, dlp1, coq2-coq7）において、人の相同遺伝子（PDSS1, PDSS2, COQ2, COQ3, COQ4, COQ5, COQ6, COQ7）を発現させたところ、ほぼ同等の機能を有していることを証明してきたが、COQ8やCOQ9遺伝子は機能的な保存性が低いことがわかっている。本研究において発見した分裂酵母のcoq11, coq12遺伝子は人において相同性の高い遺伝子は見出されないが、おそらく機能的には補完的に働く遺伝子が存在するのであろうと推測している。それらの研究も含めて今後発展させていきたい。さらにCoQ生合成を解明するために、分裂酵母において、それぞれのCoQ生合成遺伝子の欠損株において蓄積する前駆体の解析を発展させていきたい。変異体を多数誘導することにより、部分的な機能を喪失させて、質量分析機を駆使して、化合物の同定を進めて行きたい。分裂酵母でCoQ生合成を解明し、そこで判明してきた知見を活用し、人の遺伝病との関連に役立て行くことを研究の大きな展望としている。
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