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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Functional mechanisms of branched chain polyamines in thermophiles

Research Project

Project/Area Number 21H02112
Research InstitutionKwansei Gakuin University

Principal Investigator

藤原 伸介  関西学院大学, 生命環境学部, 教授 (90263219)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 福田 青郎  関西学院大学, 生命環境学部, 研究員 (30421283)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywordsアーキア / ポリアミン / 超好熱菌
Outline of Annual Research Achievements

BCPAで翻訳が促進されるhyhL遺伝子について、その制御領域を特定するために in vitroの翻訳実験を行なった。その結果hyhL構造遺伝子内に制御領域が存在することが明らかになった。制御領域の特定を行うためにHyhLのC末端にHisタグを付与し、HyhLタンパク質の発現を抗His抗体で検出する実験系を確立した。この検出系で制御領域の絞り込みを行なっている。Thermococcus kodakarensis細胞からポリアミンのアセチル化と脱アセチル化に関与する酵素の精製を試みた。現在までに活性の濃縮は進んでいるが、高純度のタンパク質が充分に得られていない。継続して酵素の精製を試みる。T.kodakarensisのBCPA合成酵素遺伝子(Tk-bpsA)をPyrobaculum calidifontis 由来の長鎖ポリアミン合成酵素(LCPA)遺伝子(Pc-speE)と置き換えた変異株を構築したところ、生育の回復が見られた。そこでPc-SpeEを組換え体として精製し、その触媒機構を解析したところ本酵素はノルスペルミンを主要なポリアミンとして合成する酵素であることが示された。BCPA-CQDは大腸菌、枯草菌、緑膿菌、黄色ブドウ球菌、薬剤耐性黄色ブドウ球菌(MRSA)に対しても高い生育抑制が認められた。そこでこの効果をより詳細に検証するため金ナノ粒子にBCPAを固定化した粒子の作成を試みた。30nmの金粒子でBCPA固定化粒子を作成し、枯草菌に対する抗菌活性を評価したところ、顕著な抗菌性が確認された。また、海洋性珪藻は長鎖のポリアミンが被殻形成に重要な役割を果たすことが知られている。そこでBCPA合成酵素の遺伝子を海洋性珪藻に導入したところ、珪藻内でBCPAが合成され、珪藻の形状に変化が確認された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

今年度の進捗を妨げた大きな理由の一つは、分析機器(HPLC)の度重なる故障にある。半導体不足とコロナ禍による部品供給の滞りが、修理を長引かせ、研究の大幅な遅延を引き起こしたと感じている。本研究ではBCPAによる遺伝子の発現制御機構を解明するため、被制御遺伝子としてhyhL遺伝子に注目してきた。これまで5’UTR領域に制御領域が存在すると予測していたが、その領域が構造遺伝子の内部にあることが判明し、実験系の再構築が必要となった。さまざまな試みを行なった中でhyhL遺伝子の末端にヒスチジンタグを付与し、抗His抗体での検出を行なったところ、良好に検出がなされた。この検出系の構築も時間を要した。ただここで開発した手法は他の被制御遺伝子にも適用できるため、hyhL以外の遺伝子も並行して研究ができ加速度的に成果が上がるものと期待する。またBCPAを持たない超好熱菌Pyrobaculum calidifontisにおいてノルスペルミンが主要なポリアミンであることを明らかにした。その中心的酵素であるSpeEの構造解析、触媒機構を研究したが、この作業に時間を要した。ただし、ここで得られた知見は高温環境で機能するポリアミンの構造的特徴を考える上で有意義なものになっている。ノルスペルミンとBCPAが有する機能、特に核酸への作用機序は次年度に注力したい。

Strategy for Future Research Activity

超好熱菌Themococcus kodakarensis においてBCPAに依存して発現量が変動する遺伝子に関して、その制御領域の特定と機構の解明を継続して行う。2023度はBCPAが発現量を抑える遺伝子にも注目し、in vitroの翻訳実験を敢行する。2022度に引き続きBCPAとそのアセチル体(AcBCPA)の変換を触媒する酵素の探索を試みる。これまでのクロマトグラフィーに加え、疎水性クロマトグラフィーやハイドロキシアパタイトなど精製アプローチを変えた手法を適用する。特定された遺伝子を大腸菌で発現させ、組換え体として精製し、酵素の基質特異性、温度依存性、速度論的解析を行う。2022度の解析で、分岐鎖ポリアミンの合成酵素(bpsA)はPyrobaculum calidifontis のPc-SpeE で部分的に代替できることが示された。P. calidifontis においては、サーモスペルミンからノルスペルミジンを経てノルスペルミンが合成されると予測される。細胞内にノルスペルミンが蓄積するにはPc-SpeEだけでは経路として完成しない。特にサーモスペルミンからノルスペルミジンへの反応が不可欠である。この反応を触媒する酵素の探索を行う。並行してBCPAを固定化した粒子に金ナノ粒子を構築し、スペルミジン金ナノ粒子と抗菌活性の比較を行う。抗菌性はグラム陽性の一般的指標菌(Micrococcus luteusなど)のほか、グラム陰性の大腸菌や緑膿菌でも評価する。

  • Research Products

    (15 results)

All 2023 2022

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (11 results)

  • [Journal Article] Recombinase polymerase amplification using novel thermostable strand-displacing DNA polymerases from Aeribacillus pallidus and Geobacillus zalihae2023

    • Author(s)
      Juma Kevin Maafu、Inoue Eisuke、Asada Kengo、Fukuda Wakao、Morimoto Kenta、Yamagata Masaya、Takita Teisuke、Kojima Kenji、Suzuki Koichiro、Nakura Yukiko、Yanagihara Itaru、Fujiwara Shinsuke、Yasukawa Kiyoshi
    • Journal Title

      Journal of Bioscience and Bioengineering

      Volume: 135 Pages: 282-290

    • DOI

      10.1016/j.jbiosc.2023.01.009

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Immobilization of a Broad Range of Polypeptides on the Frustule of the Diatom Thalassiosira pseudonana2022

    • Author(s)
      Shimakawa Ginga、Katayama Shota、Tsuji Yoshinori、Yoneda Kohei、Fukuda Wakao、Fujiwara Shinsuke、Matsuda Yusuke
    • Journal Title

      Applied and Environmental Microbiology

      Volume: 88 Pages: 1-11

    • DOI

      10.1128/aem.01153-22

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Substrate Specificity of an Aminopropyltransferase and the Biosynthesis Pathway of Polyamines in the Hyperthermophilic Crenarchaeon Pyrobaculum calidifontis2022

    • Author(s)
      Fukuda Wakao、Osaki Mamoru、Yasuda Yusuke、Hidese Ryota、Higuchi Tsunehiko、Umezawa Naoki、Fujiwara Shinsuke、Mizohata Eiichi
    • Journal Title

      Catalysts

      Volume: 12 Pages: 567-567

    • DOI

      10.3390/catal12050567

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Modified uvsY by N-terminal hexahistidine tag addition enhances efficiency of recombinase polymerase amplification to detect SARS-CoV-2 DNA2022

    • Author(s)
      Juma Kevin Maafu、Takita Teisuke、Yamagata Masaya、Ishitani Mika、Hayashi Kaichi、Kojima Kenji、Suzuki Koichiro、Ando Yuri、Fukuda Wakao、Fujiwara Shinsuke、Nakura Yukiko、Yanagihara Itaru、Yasukawa Kiyoshi
    • Journal Title

      Molecular Biology Reports

      Volume: 49 Pages: 2847-2856

    • DOI

      10.1007/s11033-021-07098-y

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 超好熱菌 Themococcus kodakarensis のヒドロゲナーゼ hyhL 遺伝子翻訳における分岐鎖ポリアミンの役割2023

    • Author(s)
      佐竹梨子,小西正隆,福田青郎,藤原伸介.
    • Organizer
      日本ポリアミン学会第13回年会
  • [Presentation] 黄麹菌が持つアルギニン脱炭酸酵素の機能解析2023

    • Author(s)
      村上優衣, 吉岡美紗, 赤坂直紀, 福田青郎, 藤原伸介.
    • Organizer
      日本ポリアミン学会第13回年会
  • [Presentation] 超好熱菌の生育時期依存的な細胞内ポリアミンの変動とゲノム DNA 構造への影響2023

    • Author(s)
      青木陽茉璃, 田中誠仁, 前川和葉, 藤原伸介.
    • Organizer
      日本ポリアミン学会第13回年会
  • [Presentation] 超好熱菌Thermococcus kodakarensisの生育時期依存的な細胞内ポリアミンの変動2022

    • Author(s)
      田中誠仁, 福田青郎,藤原伸介.
    • Organizer
      極限環境生物学会第23回年会
  • [Presentation] 黄麹菌Aspergillus oryzae が持つアグマチン合成酵素の機能解析2022

    • Author(s)
      村上 優衣, 吉岡 美紗, 赤坂 直紀, 福田 青郎, 藤原 伸介.
    • Organizer
      第95回日本生化学会年会
  • [Presentation] 耐熱性DNAポリメラーゼの鎖置換に関与する領域の比較解析2022

    • Author(s)
      井上 瑛介, Kevin Maafu Juma, 滝田 禎亮, 保川 清, 柳原 格, 藤原 伸介, 福田 青郎.
    • Organizer
      第95回日本生化学会年会
  • [Presentation] 超好熱菌 Pyrobaculum calidifontis におけるポリアミンの分解と合成2022

    • Author(s)
      福田青郎,尾崎守,梅澤直樹,樋口恒彦,藤原伸介,溝端栄一.
    • Organizer
      日本Archaea研究会第34回講演会
  • [Presentation] 耐熱性ヘリカーゼと一本鎖 DNA 結合タンパク質を用いた等温核酸増幅技術の開発2022

    • Author(s)
      安藤友理,村上雄人,福田青郎,藤原伸介.
    • Organizer
      日本Archaea研究会第34回講演会
  • [Presentation] S-layer 様タンパク質が Thermococcus kodakarensis の浸透圧ストレス耐性に与える影響2022

    • Author(s)
      花野優也,福田青郎,藤原伸介.
    • Organizer
      日本Archaea研究会第34回講演会
  • [Presentation] 酢酸菌を宿主としたウレアプラズマ由来タンパク質発現の試み2022

    • Author(s)
      棚倉 有哉, 福田 青郎 , 柳原 格, 呉 恒寧, 藤原 伸介.
    • Organizer
      第74回生物工学会大会
  • [Presentation] Aspergillus oryzae のアルギニン脱炭酸酵素の同定2022

    • Author(s)
      村上 優衣, 吉岡 美紗, 赤坂 直紀, 福田 青郎, 藤原 伸介.
    • Organizer
      第74回生物工学会大会

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Published: 2023-12-25  

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