Identification of target molecules based on self-resistance gene-directed genome mining

2023 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K06665
• Research Institution: University of Shizuoka
• Principal Investigator: 佐藤 道大 静岡県立大学, 薬学部, 准教授 (10629695)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 天然物生合成 / ゲノムマイニング / 標的分子

Outline of Annual Research Achievements

抗生物質生産菌が有する自己耐性機構の一つは、標的分子と機能的に等価な自己耐性酵素(SRE)を保有することである。SRE は標的となるハウスキーピング酵素と配列的に非常に類似しているが、活性を維持しながらも天然物による阻害に対して酵素を非感受性にする変異を含んでいる。このSREの配列は、標的となるハウスキーピング酵素と類似しているため、バイオインフォマティクス解析によってSREの機能を容易に予測することが可能である。この標的分子指向型ゲノムマイニングを行い、新しい天然物の獲得を本研究の目的としている。またそれに加えて、標的分子とSREの関係、耐性の分子機構を明らかにすることも並行して行っている。2023年度は、免疫抑制活性を有するFR901483(1)の生合成遺伝子クラスターに存在するFrzKというSREの耐性機構について研究を進めた。FrzKはホスホリボシルアミド転移酵素(PPAT)のホモログである。PPATはプリン塩基のde novo合成の初発段階を担う酵素であり、原核真核問わずあらゆる生物種に保存されている酵素である。1がPPATに対してどのように阻害を示すのかを明らかにするために、化合物との共結晶構造を解析することとした。大腸菌由来PPATを1存在下結晶化し、得られたタンパク質結晶をX線結晶構造解析に供した。その結果、1はPPATの本来の基質であるホスホリボシル二リン酸の結合部位に存在していることが明らかとなった。また、結合に関与するアミノ酸残基は、多くの生物のPPATで保存されていたが、FrzKにおいては異なるアミノ酸残基となっていた。さらにFrzKのアミノ酸残基に変異を導入することで、1によって阻害されることが明らかとなった。これらの結果は、学術雑誌であるJournal of American Chemical Society誌に掲載された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の目的は、標的タンパク質指向型ゲノムマイニングを行い、新しい天然物の獲得および標的タンパク質とSREの関係、耐性機能の分子機構の解明である。耐性機構については、明らかにすることができ、JACS誌(インパクトファクター:15)に掲載された。具体的には、タンパク質の配列アライメント、共結晶構造から耐性に関与するアミノ酸残基が予想された。実際にSREに該当するアミノ酸残基に変異を導入することで、SREの耐性が弱まったため、特定のアミノ酸残基が関与していることが明らかとなった。また、それらアミノ酸残基とSREのホモロジーモデリングから、その耐性機構について合理的説明がなされた。ゲノムマイニングについては、現在までに研究結果としてまとめられてはいないが、順調に進行している。

Strategy for Future Research Activity

本研究課題の一つの目的である推定標的分子の化合物に対する非感受性機構については、詳細まで明らかにすることができた。今後は既に知られている自己耐性遺伝子を指標とした物質探索および自己耐性遺伝子を有する生合成遺伝子クラスターの探索および化合物生産を試みる予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of California, Los Angeles(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of California, Los Angeles
• [Journal Article] Uncommon arrangement of self-resistance allows biosynthesis of de novo purine biosynthesis inhibitor that acts as immunosuppressor (2023)
  • Author(s): Sato, M., Sakano, S., Nakahara, M., Tamura, Y., Hara, K., Hashimoto, H., Tang, Y., Watanabe, K.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 145 Pages: 26883-26889
  • DOI: 10.1021/jacs.3c09600
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Association between physical activity and the prevalence of tumorigenic bacteria in the gut microbiota of Japanese adults: a cross-sectional study. (2023)
  • Author(s): Iwasaka, C., Ninomiya, Y., Nakagata,T., Nanri, H., Watanabe, D., Ohno, H., Tanisawa, K., Konishi, K., Murakami, H., Tsunematsu, Y., Sato, M., Watanabe, K., Miyachi, M.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Pages: 20841
  • DOI: 10.1038/s41598-023-47442-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Biosynthesis of polycyclic natural products from conjugated polyenes via tandem isomerization and pericyclic reactions (2023)
  • Author(s): Niwa, K., Ohashi, M., Xie, K., Chiang, C. Y., Jamieson, C. S., Sato, M., Watanabe, K., Liu, F., Houk, K. N., Tang, Y.
  • Journal Title: J. Am. Chem. Soc. Volume: 145 Pages: 13520-13525
  • DOI: 10.1021/jacs.3c02380
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Non-target GC-MS analyses of fecal VOCs in NASH- hepatocellular carcinoma model STAM mice (2023)
  • Author(s): Kato, M., Yamaguchi, M., Takahashi, R., Onoda, K., Yoshikawa, Y., Tsunematsu, Y., Sato, M., Yoshioka, Y., Igarashi, M., Hayakawa, S., Shoji, K., Shoji, Y., Ishikawa, T., Watanabe, K., Miyoshi, N.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Pages: 8924
  • DOI: 10.1038/s41598-023-36091-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Screening method toward ClbP-specific inhibitors (2023)
  • Author(s): Zhou, T., Ando, T., Kudo, A., Sato, M., Miyoshi, N., Mutoh, M., Ishikawa, H., Wakabayashi, K., Watanabe, K.
  • Journal Title: Genes and Environment Volume: 45 Pages: 8
  • DOI: 10.1186/s41021-023-00264-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Biosynthetic gene expression and tissue distribution of diosgenin in Dioscorea japonica (2023)
  • Author(s): Onoda, K., Kato, M., Tsunematsu, Y., Eto, F., Sato, M., Yoshioka, Y., Yoshida, T., Tamura, K., Yao, I., Dohra, H., Watanabe, K., Miyoshi, N.
  • Journal Title: Journal of Agricultural and Food Chemistry Volume: 71 Pages: 4292-4297
  • DOI: 10.1021/acs.jafc.2c08478
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 担子菌Coprinopsis属由来化合物lagopodin Bからhitoyol Aへの変換を担う細胞外酵素の探索 (2023)
  • Author(s): 鈴木 詞也, 浅井 しほり, 遠藤 瞭太, 恒松 雄太, 佐藤 道大, 渡辺 賢二
  • Organizer: 日本生薬学会第69回年会
• [Presentation] 抗マラリア活性を有するdihydrolucilactaeneの大量生産法の確立 (2023)
  • Author(s): 中原 実玖, 佐藤 道大, 長田 裕之, 渡辺 賢二
  • Organizer: 日本生薬学会第69回年会
• [Presentation] 糸状菌由来oxaleimide類生合成経路の解明 (2023)
  • Author(s): 増田 真巳, 佐藤 道大, TANG Yi, 渡辺 賢二
  • Organizer: 日本生薬学会第69回年会
• [Presentation] OSMAC法により見出された放線菌由来天然物の生合成研究 (2023)
  • Author(s): 小林裕輝、遠藤瞭太、佐藤道大、Julius Lopez、野川俊彦、長田裕之、渡辺賢二
  • Organizer: 日本生薬学会第69回年会
• [Presentation] 天然物生合成遺伝子の発現による遺伝子治療法の確立 (2023)
  • Author(s): 根岸 天都, 恒松 雄太, 佐藤 道大, 渡辺 賢二
  • Organizer: 日本生薬学会第69回年会
• [Presentation] 含窒素三環性化合物 FR901483 の生合成および生産菌における自己耐性機構 (2023)
  • Author(s): 坂野 桜子, 佐藤 道大, 中原 実玖, 田村 優衣, 原 幸大, 橋本 博, Tang Yi, 渡辺 賢二
  • Organizer: 第65回天然有機化合物討論会
• [Presentation] シトクロムP450による二量化ジケトピペラジンの創製研究 (2023)
  • Author(s): 佐藤 道大, 尾形 勇二, 小谷 拓也, 渡辺 賢二
  • Organizer: 日本農芸化学会 中部・関西合同大会