Loss and bacterial-origin reacquisition of the genes for tryptophan metabolism: biological significance and industrial application

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H02209
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Gakushuin University
• Principal Investigator: 嶋田 透 学習院大学, 理学部, 教授 (20202111)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 李 允求 学習院大学, 理学部, 助教 (50847168)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: キヌレニン経路 / カイコ / 遺伝子喪失 / 水平転移 / 3-ヒドロキシアントラニル酸

Outline of Annual Research Achievements

動物におけるトリプトファンの主要な代謝経路はキヌレニン経路である。脊椎動物のキヌレニン経路では、TDO/IDO、KMO、KYNU、HAAO、ACMSDの5段階の酵素反応 により、キヌレニンを経てキノリン酸やピコリン酸などが生じる。中間代謝産物は種々の生理活性を有するとともに、NAD合成経路など別の代謝経路にも接続している。一方、昆虫では、ゲノム情報の比較から、それら酵素の存否が系統によって異なると予想されている。本研究は、昆虫および近縁の節足動物におけるキヌレニン経路の多様性と、その生物学的意義を明らかにすることを目指している。昆虫(外顎類)の共通祖先におけるキヌレニン経路を推定するために、古顎目に属するヤマトイシノミのトランスクリプトーム解析を行い、昆虫としては例外的に上記の5つの酵素の遺伝子をすべて有していることを明らかにした。鱗翅目（チョウ目）の昆虫はTDOとKMOに加えてキヌレニナーゼ（KYNU）を有しているので、3-ヒドロキシアントラニル酸(3HAA)を合成できる。また、エリサンの繭色変異の原因遺伝子がKYNUであることを示唆する結果が得られた。一方でエリサンのKynu遺伝子をCRISPR/Cas9法でノックアウトすると、致死することが明らかになった。エリサンのキヌレニン-3-モノオキシゲナーゼ（KMO）の遺伝子をノックアウトしても致死しなかったことから、KYNUは従来知られているキヌレニン、3-ヒドロキシキヌレニンを加水分解する以外に、未知の機能があると推定し、現在 in vitro の実験系の構築を進めている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

エリサンの繭色変異の原因遺伝子がKYNUであることを示唆する結果が得られた。一方でエリサンのKynu遺伝子をCRISPR/Cas9法でノックアウトすると、致死することが明らかになった。キヌレニン-3-モノオキシゲナーゼ（KMO）の遺伝子をノックアウトしても致死しないことから、KYNUは従来知られているキヌレニン、3-ヒドロキシキヌレニンを基質とする加水分解以外に、未知の機能を持つと推定される。以上の結果は従来、カイコをはじめとする昆虫生化学・遺伝学の常識を塗り替えるものであり、新知見が得られたと言える。

Strategy for Future Research Activity

カイコでもKynuのノックアウトによって致死が起きることを確かめる。また、エリサンの繭色変異系統のKYNUのアミノ酸配列の変異が、キヌレニナーゼ活性の低下によるものかどうかを組換えタンパク質を用いた in vitroの実験で証明する。さらに、組換えタンパク質を用いて、KYNUのキヌレニナーゼ活性以外の未知の機能を明らかにすることを計画している。