2020 Fiscal Year Annual Research Report
Structural analysis of aminoglycoside antibiotic biosynthetic enzymes
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19H02895
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
工藤 史貴 東京工業大学, 理学院, 准教授 (00361783)
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2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | アミノグリコシド系抗生物質 / カナマイシン / 生合成 / 酵素 / 構造機能解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、アミノグリコシド系抗生物質生合成マシナリーの人為的改変による新規抗生物質創製を念頭におき、生合成に関わる酵素の構造機能解析を通じた生合成基盤を構築することを目的としている。2020年度は、カナマイシン生合成経路の全貌解明を中心に研究を進めた。
カナマイシン生合成経路で明確になっていなかったのは、6'位のアミノ基導入と2'位の脱アミノ化のタイミングであった。2'位の脱アミノ化については、酸化酵素KanJと還元酵素KanKが関わることを明らかにしていたので、候補基質を用いてKanJの酵素反応速度論的解析を行った。その結果、6'位にアミノ基を有している化合物であれば2'位の脱アミノ化が進行することが分かった。さらにKanJについては、X線結晶構造解析により、6'位のアミノ基を認識するアミノ酸残基を特定することができた。このことから6'位のアミノ基導入は、2'位の脱アミノ化よりも先に起こることが示唆された。
6'位のアミノ基導入については、FAD依存酵素KanQが6'位の脱水素化を触媒し、ついでPLP依存酵素KanBがアミノ基転移反応を触媒することが推定された。候補基質を用いてKanQの酵素反応速度論解析を行った結果、カナマイシンCが最も良い基質であることが分かった。またカナマイシンCはKanQとKanBにより効率よくカナマイシンBへと変換された。
以上まとめると、カナマイシン生合成においては、まず擬似二糖中間体であるパロマミンが配糖化され3"-デアミノ-3"-ヒドロキシカナマイシンCが生成し、ついでKanD2とKanS2により3"位のアミノ基の導入が触媒されカナマイシンCが生合成される。その後、KanQとKanBにより6'位のアミノ基が導入されカナマイシンBが生成し、最後にKanJとKanKにより2'位が脱アミノ化されてカナマイシンAが生合成されることが明らかになった。
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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
アミノグリコシド系抗生物質の代表的な存在であるカナマイシンの生合成酵素の機能解析を進め、2019年度からの二年間でカナマイシン生合成機構の全貌を解明することができた。またこれまでに、カノサミン部位のアミノ基導入に関わる脱水素酵素KanD2と2'位の脱アミノ化に関わる酸化酵素KanJの結晶構造を解明することができたので、まずは順調に研究を進められていると考えている。これら構造解析については論文発表と国際学会発表することもできた。
以上の構造解析から、アミノグリコシド系抗生物質の生合成酵素を含めオリゴ糖を認識する酵素は、CH-π相互作用を多く利用して選択的に基質を認識する可能性があることが分かってきたと考えている。アミノグリコシド系抗生物質の生合成に関わる他の酵素に関しても結晶化を検討しており、構造機能解明に向けた研究を進められている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年もアミノグリコシド系抗生物質の生合成に関わる酵素の機能構造解析を継続的に進める。2020年度までにカナマイシン生合成機構の全貌を解明したので、他のアミノグリコシド系抗生物質の特徴的な化学構造形成に関わる酵素の機能構造解析を進める。
2021年度は、イスタマイシンに見られる特徴的な1,4-ジアミノサイクリトール部位の形成機構、ジデオキシ化部位の構築に関わると推定している酵素の機能解析を進める。それ以外にも、多種多様な化学構造を有するアミノグリコシド抗生物質に着目し、特徴的な修飾機構に関わる酵素遺伝子を探索する。
またこれまでに、カナマイシン、ネオマイシン、ブチロシン生合成機構の全貌解明に成功しているが、これら抗生物質の全ての生合成酵素の結晶構造解析に成功したわけではない。そこで、2021年度も引き続き、構造未決定の酵素の結晶化を検討し構造決定を試みる。
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Research Products
(5 results)
