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2022 Fiscal Year Research-status Report

Investigation of the biosynthesis of terrestrial tetrodotoxin via new compound screening and metagenomic analysis

Research Project

Project/Area Number 22K14833
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

工藤 雄大  東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (60824662)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2024-03-31
Keywordsテトロドトキシン / イモリ / 生合成 / 構造解析 / 質量分析 / メタゲノム
Outline of Annual Research Achievements

テトロドトキシン (TTX) は、フグやイモリなど多様な生物が持つ代表的な自然毒である。陸上におけるTTXの生産者は不明瞭であり、生合成経路は長年の謎となっている。本研究では有毒イモリからTTXの生合成に関連する新たな化合物を探索し、その化学構造を解析することで生合成経路の推定を試みる。併せて毒の生産者が含まれると予想される環境微生物の遺伝子解析(メタゲノム解析)を行い、陸上TTXの生合成経路の解明を目指す。
先行研究で得た生合成経路の知見に基づき、質量分析器(MS)を用いてTTXに関連する新規化合物を探索した。国内外の各種TTX含有イモリから種々の方法で毒成分を抽出し、LCMS分析に供すことで、関連化合物と思われる未知ピークを複数検出できた。単離した未知化合物の化学構造を核磁気共鳴装置(NMR)を用いて解析中である。また属や生息地の異なる有毒イモリのTTXおよびTTX関連化合物を分析し、この成分解析から生合成経路の考察を深めている。一方、質量分析器を用いた新規化学物の探索方法を放線菌に応用することで、抗マラリア活性を示すリン酸トリエステル化合物サリニポスチンの新規類縁体を複数得た。得られた化合物のモノアシルグリセロールリパーゼの阻害活性を評価し、強い活性(ナノモーラーオーダーの半数阻害濃度(IC50))を示すことを明らかにした。本成果を関連学会で発表し、論文として公表した。
TTX含有イモリの生息地から得た環境メタゲノムの解析を行った。先行研究で環境メタゲノムをインサートとするFosmidライブラリーを得ていた。本ライブラリーの塩基配列を各種バイオインフォマティクス解析に供し、TTXの生合成遺伝子および生合成遺伝子クラスターの候補を探索した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

これまでの研究で予想してきた陸上TTXの生合成経路に基づき、質量分析器(MS)を用いてTTXの生合成に関連する新規化合物を探索した。国内外の各種TTX含有イモリから、極性が高い成分、極性が比較的低い成分をそれぞれ抽出した。逆相カラムおよびHILICカラムを用いたLCMS分析に供すことで、関連化合物と思われる未知ピークを複数検出することに成功した。微量ながら単離できた未知成分の化学構造を核磁気共鳴装置(NMR)で解析中である。また、他の未知化合物を各種カラムクロマトグラフィーにて精製中である。属や生息地の異なる各種有毒イモリや海洋有毒生物におけるTTX関連化合物をLCMSで分析し、生合成経路の知見を集めた。化合物探索および生合成遺伝子の探索に活かしていく。一方、質量分析器を用いた新規化学物の探索方法を放線菌に適用することで、海洋放線菌より抗マラリア活性を示すリン酸トリエステル化合物サリニポスチンの新規類縁体を得た。得られた化合物のモノアシルグリセロールリパーゼの阻害活性を評価し、ナノモーラーオーダーの半数阻害濃度を示すことを明らかにした。
TTX含有イモリの生息地から得た環境メタゲノムの解析を行った。研究代表者の先行研究で環境メタゲノムをインサートとするFosmidライブラリーを構築していた。本ライブラリーの塩基配列を各バイオインフォマティクス解析に供し、TTXの生合成遺伝子ならびに生合成遺伝子クラスターの候補を探索している。
質量分析器を用いた探索を駆使することで、天然から新たなTTX関連化合物と思われる成分を複数見出した。また、当初の予定ではないが、MSによる探索法を適用することで、強力な酵素阻害能を持ち、天然では極めて稀なリン酸トリエステル化合物を有する化合物を発見できた。本成果は論文として公表し、論文賞を受賞した。これより、研究はおおむね順調に進展したと捉えている。

Strategy for Future Research Activity

2022年度の研究を継続することで、TTX生合成経路の解明を目指す。
各種有毒イモリを対象として、新たなテトロドトキシン(TTX)関連化合物の同定を試みる。これまで質量分析器(MS)を用いた探索で検出された候補化合物の単離と化学構造の解析を行う。いずれの候補化合物もイモリ内に微量にしか存在しないことが解析の障害になっている。効率の良い抽出方法と精製方法を再検討しながら、より高感度なNMR装置を用いた解析により構造決定の達成を目指す。また、DFT計算によるケミカルシフトの予測、およびDP4解析など計算科学の手法による推定構造の裏付けを行う。決定した化学構造が推定生合成経路にどのように位置づけられるか考察し、陸上TTXの生合成経路のさらなる推定を行う。また、放線菌を対象とした化合物探索も継続する。培養方法の工夫と質量分析器による探索を組み合わせることで、新たな天然化合物が検出できているため、これらの化学構造の決定を目指す。
推定生合成経路に基づき、有毒イモリの環境メタゲノムから、生合成遺伝子(クラスター)を探索する。配列ベースの解析(BLAST)と立体構造の予測(Alphafold2)を行い、生合成への関与が考えられる候補遺伝子を絞り込む。候補遺伝子をライブラリーを基にPCRで増幅、あるいは人工遺伝子合成(依頼)した後、ベクターに組み込んで大腸菌等で推定生合成酵素を異種発現させる。研究代表者が単離あるいは合成した予想基質化合物を用いてin vitroの酵素反応を行い、推定生合成酵素の機能を解析する。また、有毒イモリ生息地から、新たなTTX含有生物ならびにTTX生産生物の探索を行う。

Causes of Carryover

2022年度に予定していた環境DNAと有毒イモリなどの生物の野外サンプリングの回数を減らした。2023年度に改めて行うため、サンプリングにかかる費用、およびDNA抽出や毒成分の抽出・分析等にかかる費用が必要となる。また、上記に伴って、次世代シーケンサーによる塩基配列解析を2023年度に延期したため、その解析依頼料が必要となる。設備備品の購入を一部2023年度に持ち越した。

  • Research Products

    (28 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (4 results) Presentation (19 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results) Book (1 results) Remarks (3 results)

  • [Int'l Joint Research] ユタ州立大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      ユタ州立大学
  • [Journal Article] The quite low cross-reactivity of Kawatsu's anti-tetrodotoxin monoclonal antibody to 5,6,11-trideoxytetrodotoxin, 11-nortetrodotoxin-6(S)-ol, and 11-oxotetrodotoxin, the major tetrodotoxin analogues in pufferfish2023

    • Author(s)
      Keita Yamaki、Kyoka Sato、Yuta Kudo、Yuko Cho、Keiichi Konoki、Tomohiro Takatani 、Osamu Arakawa、Kentaro Kawatsu、Mari Yotsu-Yamashita
    • Journal Title

      Toxicon

      Volume: 226 Pages: 107081~107081

    • DOI

      10.1016/j.toxicon.2023.107081

  • [Journal Article] Mass spectrometry-guided discovery of new analogs of bicyclic phosphotriester salinipostin and evaluation of their monoacylglycerol lipase inhibitory activity2022

    • Author(s)
      Yuta Kudo、Keiichi Konoki、Mari Yotsu-Yamashita
    • Journal Title

      Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry

      Volume: 86 Pages: 1333~1342

    • DOI

      10.1093/bbb/zbac131

  • [Journal Article] Isolation and Biological Activity of 9-epi Tetrodotoxin and Isolation of Tb-242B, Possible Biosynthetic Shunt Products of Tetrodotoxin from Pufferfish2022

    • Author(s)
      Yuji Yaegashi、Yuta Kudo、Nozomi Ueyama、Ken-ichi Onodera、Yuko Cho、Keiichi Konoki、Mari Yotsu-Yamashita
    • Journal Title

      Journal of Natural Products

      Volume: 85 Pages: 2199~2206

    • DOI

      10.1021/acs.jnatprod.2c00588

  • [Journal Article] State-Dependent Inhibition of Voltage-Gated Sodium Channels in Neuroblastoma Neuro-2A Cells by Arachidonic Acid from Halichondria okadai2022

    • Author(s)
      Osamu Chiba、Noriko Shimada、Shutaro Yoshio、Yuta Kudo、Yuko Cho、Mari Yotsu-Yamashita、Keiichi Konoki
    • Journal Title

      Chemical Research in Toxicology

      Volume: 35 Pages: 1950~1961

    • DOI

      10.1021/acs.chemrestox.2c00062

  • [Presentation] MSを用いた新規リン酸トリエステル化合物とγ-ブチロラクトン化合物の探索、および構造解析と活性評価2023

    • Author(s)
      工藤 雄大,此木 敬一, 山下 まり
    • Organizer
      日本農芸化学会2023年度広島大会
  • [Presentation] 致死性海藻中毒原因物質ポリカバノシド類の作用機序2023

    • Author(s)
      山下まり,土肥裕花,岩崎浩太郎,佐々木理,川島悠岐,島田紀子,工藤雄大,長 由扶子,此木敬一,佐々木誠
    • Organizer
      令和5年度 日本水産学会 春季大会
  • [Presentation] 電位依存性ナトリウムチャネルに対するサキシトキシン合成誘導体の感受性評価2023

    • Author(s)
      小林 巧,吉尾 柊太郎,千葉 修,濡木 絢斗,髙栁 優夏,石塚 颯,工藤 雄大,長 由扶子,山下 まり,長澤 和夫,此木 敬一
    • Organizer
      日本農芸化学会2023年度広島大会
  • [Presentation] 多価不飽和脂肪酸による電位依存性ナトリウムチャネルの阻害機構2023

    • Author(s)
      吉尾 柊太郎,千葉 修,島田 紀子,工藤 雄大,長 由扶子,山下 まり,此木 敬一
    • Organizer
      日本農芸化学会2023年度広島大会
  • [Presentation] 麻痺性貝毒サキシトキシンの推定生合成中間体の合成研究2023

    • Author(s)
      廣住 燎亮,長 由扶子,工藤 雄大,此木 敬一,長澤 和夫,山下 まり
    • Organizer
      日本農芸化学会2023年度広島大会
  • [Presentation] オキナワフグChelonodon patoca由来の新規テトロドトキシン類縁体の単離、構造決定2023

    • Author(s)
      青沼 栞里,工藤 雄大,長 由扶子,此木 敬一,山下 まり
    • Organizer
      日本農芸化学会2023年度広島大会
  • [Presentation] パプアニューギニア産珪藻Nitzschia navis-varingicaのドウモイ酸生合成中間体の解析2023

    • Author(s)
      芦田 康洋,Puilingi Clyde,山田 基生,前野 優香理,工藤 雄大,長 由扶子,此木 敬一,小瀧 裕一,山下 まり
    • Organizer
      日本農芸化学会2023年度広島大会
  • [Presentation] サキシトキシンの推定生合成中間体の合成と有毒藍藻および渦鞭毛藻における同定2023

    • Author(s)
      袴田 真有,石塚 颯,安達 栞菜,大澤 瞳生,東海林 千容,長 由扶子,工藤 雄大,此木 敬一,大島 泰克,長澤 和夫,山下 まり
    • Organizer
      日本農芸化学会2023年度広島大会
  • [Presentation] 新規化合物の探索を軸とする二次代謝産物の生合成研究2022

    • Author(s)
      工藤雄大
    • Organizer
      2022年度 日本農芸化学会東北支部シンポジウム 東北支部奨励賞 奨励賞受賞講演
    • Invited
  • [Presentation] Preparation of domoic acid and kainic acid analogues using the cyclases, and evaluation of their toxicities2022

    • Author(s)
      Motomi Yamada,Yukari Maeno,Yuichi Kotaki,Ryuta Terada,Masafumi Hidaka,Yuta Kudo,Yuko Cho,Keiichi Konoki,Mari Yotsu-Yamashita
    • Organizer
      Tohoku University OIST 3rd Joint Workshop on Biodiversity
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Prediction of biosynthetic pathways of major marine toxins based on their structural diversity2022

    • Author(s)
      Mari Yotsu-Yamashita,Yuta Kudo,Shigeki Tsuchiya,Satoshi Numano,Yuko Cho,Keiichi Konoki,Kazuo Nagasawa
    • Organizer
      Tohoku University OIST 3rd Joint Workshop on Biodiversity
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Screening for Nav inhibitors from the marine sponge Halichondria okadai and characterization of fatty acid modulation of Nav2022

    • Author(s)
      Shutaro Yoshio,Osamu Chiba,Noriko Shimada,Yuta Kudo,Yuko Cho,Mari Yotsu,Yamashita,Keiichi Konoki
    • Organizer
      Tohoku University OIST 3rd Joint Workshop on Biodiversity
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電位依存性ナトリウムチャネルを阻害する核酸アプタマーの探索2022

    • Author(s)
      小林 巧,鳥海優人,工藤雄大,長 由扶子,山下まり,此木敬一
    • Organizer
      令和4年度 日本農芸化学会 北海道・東北支部 合同支部会
  • [Presentation] 麻痺性貝毒サキシトキシンの二環性推定生合成中間体の合成研究2022

    • Author(s)
      廣住燎亮,長 由扶子,工藤雄大,此木敬一,長澤和夫,山下まり
    • Organizer
      令和4年度 日本農芸化学会 北海道・東北支部 合同支部会
  • [Presentation] 放線菌シグナル分子の探索2022

    • Author(s)
      工藤雄大,此木敬一,山下まり
    • Organizer
      令和4年度 日本農芸化学会 北海道・東北支部 合同支部会
  • [Presentation] LC-MSを用いた放線菌由来新規シグナル分子とリン酸トリエステル化合物の探索2022

    • Author(s)
      工藤雄大,此木敬一,山下まり
    • Organizer
      日本生薬学会第68回年会
  • [Presentation] 環化酵素を利用したドウモイ酸とカイニン酸類縁体の調製と毒性評価2022

    • Author(s)
      山田基生,前野優香理,小瀧裕一,寺田竜太,日高將文,工藤雄大,長由扶子,此木敬一,山下まり
    • Organizer
      第64回天然有機化合物討論会
  • [Presentation] 有毒イモリに含まれるテトロドトキシン関連化合物の探索に基づく生合成経路の推定2022

    • Author(s)
      工藤雄大,Charles T. Hanifin,長 由扶子,此木敬一
    • Organizer
      第68回トキシンシンポジウム
  • [Presentation] 2種の12β-デオキシサキシトキシン類縁体の 有毒藍藻および渦鞭毛藻からの同定2022

    • Author(s)
      赤松みちる,廣住燎亮,長 由扶子,工藤雄大,此木敬一,大島泰克,山下まり
    • Organizer
      第33回万有仙台シンポジウム
  • [Book] Progress in the Chemistry of Organic Natural Products 1182022

    • Author(s)
      Charles T. Hanifin, Yuta Kudo, Mari Yotsu-Yamashita
    • Total Pages
      30
    • Publisher
      Springer Nature
    • ISBN
      978-3-030-92030-2
  • [Remarks] 東北大学大学院農学研究科 天然物生命化学分野HP

    • URL

      https://www.agri.tohoku.ac.jp/bukka/index-j.html

  • [Remarks] 工藤雄大助教らの論文が日本農芸化学会2022年「BBB論文賞」を受賞

    • URL

      https://www.fris.tohoku.ac.jp/feature/topics/detail---id-1261.html

  • [Remarks] 工藤雄大助教「日本農芸化学会 東北支部 奨励賞」と「第68回毒素シンポジウム奨励賞」を受賞

    • URL

      https://www.fris.tohoku.ac.jp/feature/topics/detail---id-1203.html

URL: 

Published: 2023-12-25  

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