2019 Fiscal Year Research-status Report
バクテリア光センサーの多様性理解と光による細胞制御技術の開発
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19K05781
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
高野 英晃 日本大学, 生物資源科学部, 准教授 (50385994)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光センサー / 非光合成細菌 / カロテノイド / LitR / CrtR |
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| Outline of Annual Research Achievements |
LitR/CarHは、ビタミンB12をアンテナ分子に利用することで青色～緑色光を感知するMerR型転写調節タンパク質である。本ファミリーは多様な細菌種に類似遺伝子が見つかり、主に抗酸化活性を有するカロテノイド色素生産の光誘導を担うことが明らかになりつつある。LitRはクラスI～Vに分類され、B12タイプ(クラスI)を除いて、光センシング機能はいまだ明らかになっていない。本研究では、クラスII～Vに加えて、これまでに見出している他の光センサー候補タンパク質群の機能を明らかにするとともに、オプトジェネティクスへの応用利用を目的とした。
光センサー候補群については遺伝学および生化学的な解析を実施し、一部の細菌を除いて遺伝子破壊株の構築に成功し、転写レベルにおける光誘導の消失が確認されたことから、光センサーとして働くことが強く示唆された。アミノ酸生産菌Corynebacterium glutamicumにおけるカロテノイド生産の光誘導は、MarRファミリーCrtRによって担われ、従来型のクロモフォアをアンテナ分子として利用しないことから、あたらしい光感知メカニズムを有していることが示唆された。ゲノム情報および表現型解析からCrtRがCorynebacterium属類縁菌群やバクテロイデテス門細菌群のゲノムに広く分布し、実際にそれらの多くが光に応答性してカロテノイドを生産することを見出した。このことはCrtRが動物に棲む特定の細菌群における光応答に関与することを示している(Scientific Reports, 9:13136)。
納豆菌Bacillus subtilis natto株の糸引きが光によって抑制される現象を独自に見出し、糸引きの主成分ポリグルタミン酸の合成酵素活性が光照射によって阻害されることが示唆された。
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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
光センサー候補遺伝子群については、各細菌における当該遺伝子の破壊が発現レベルにおける光誘導の消失を引き起こしたことから、光センサーとして機能する可能性が高いことが確認された。具体的な例として、バクテロイデテス門Sphingobacterium属細菌で初めての例となる遺伝子破壊系を確立し、CrtRホモログの破壊に成功した。また、組換えタンパク質を調製し、カロリーメトリーによる相互作用解析に加えて、標的DNAに対する相互作用活性を指標とした生化学的な機能解析を進め、光アンテナ分子として働く低分子化合物の同定を進めた。一つの候補タンパク質において金属との相互作用が確認された。その一方で、大半の候補タンパク質では既知のドメインが存在しないことから、アンテナ分子の予想が困難であり、その同定には至っていないのが現状である。さらに、ゲノム情報をベースとする光センサーの探索を進め、一部の酢酸菌が光センサーホモログを有していることを見出した。転写解析を行ったところ、光センサー遺伝子に隣接する光回復酵素が光依存的に発現することを確認した。納豆菌糸引きの光抑制現象については、糸引きの主成分ポリグルタミン酸合成遺伝子の転写レベルは光照射によって大きな影響を受けないことを明らかにした。このことから、ポリグルタミン酸合成酵素活性が光照射によって阻害されることが示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
LitRファミリーをはじめとする光センサー候補群の機能解析を引き続き実施する。とくに、アンテナ分子の同定に重点をおく。生化学アプローチとして、引き続きカロリーメトリーを用いた既知のクロモフォアとの相互作用解析を実施する。また、同時進行で遺伝学的アプローチを取り入れる。レポーターアッセイ系を確立して、変異剤もしくはランダムトランスポゾン変異法などによって光非応答変異株を取得し、そのゲノム配列解析からアンテナ分子合成に関わる遺伝子の同定を進める。性質の異なる２つのアプローチを採用することで、アンテナ分子を同定することで新規な光センサーとしての証明を目指す。
納豆菌については、実際に納豆を作製し、その官能評価を行う。糸引きの低い納豆は外国においてニーズが高くなりつつあることから、本現象のメカニズム理解を通じた糸引きの段階的制御技術を開発し、多様な消費者ニーズに対応できるユニークな納豆製造技術を確立する。
ゲノム情報から光センサーホモログの存在が示唆された酢酸菌群については、自然界から分離する菌株、カルチャーコレクションの購入株を対象として、カロテノイド色素生産を指標として、その光応答性の普遍性と多様性の解析を進め、ゲノム情報も含めた複合的なアプローチによって、太陽光のあたる果実・花などに生息する酢酸菌群における光の意義理解を進める。
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[Journal Article] Light-inducible carotenoid production controlled by a MarR-type regulator in Corynebacterium glutamicum2019
Author(s)
Sumi Satoru, Suzuki Yuto, Matsuki Tetsuro, Yamamoto Takahiro,Tsuruta Yudai, Mise Kou, Kawamura Takuya, Ito Yusuke, Shimada Yuka, Watanabe Erika, Watanabe Shoko, Toriyabe Minami, Takano (Shiratori) Hatsumi, Ueda Kenji, Takano Hideaki
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 9
Pages: 13136
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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