A novel alginate-assimilating pathway in abalone that feeds on brown seaweeds

• Project/Area Number: 16K07864
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Aquatic life science
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: Ojima Takao 北海道大学, 水産科学研究院, 教授 (30160865)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 井上 晶 北海道大学, 水産科学研究院, 准教授 (70396307)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2018: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2017: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2016: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: アワビ / 藻食性 / 腹足類 / アルギン酸 / ウロン酸 / 代謝 / 酵素 / 解糖系 / アルギン酸リアーゼ / DEH / KDG / 還元酵素 / アルドラーゼ / DEH還元酵素 / KDGアルドラーゼ / 代謝酵素 / アメフラシ / タマキビガイ / 糖質代謝 / 代謝系酵素

Outline of Final Research Achievements

Herbivorous marine gastropods such as abalone and sea hare are considered to assimilate seaweed alginate using a specific alginate-metabolic enzymes. However, these enzymes had not been identified yet. In the present study, we investigated the alginate-assimilating enzymes of abalone, and have successfully identified an unsaturated alfa-keto acid (DEH) reducing enzyme HdRed and an alfa-keto-deoxygluconate (KDG) aldolase HdAld. These enzymes along with alginate lyases HdAly and HdAlex, which were previously identified by us, are considered to form an alginate-degrading and assimilating pathway as follows. 1) Alginate is degraded to DEH by HdAly and HdAlex. 2) DEH is reduced to KDG by HdRed. 3) KDG is split to pyruvate (PA) and glyceraldehyde (GA) by HdAld. 4) The thus resulted PA and GA are converted to acetyl CoA and assimilated by TCA cycle. This metabolic pathway was considered to distribute over many herbivorous gastropods.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

動物の解糖系としてエムデン・マイヤホフ経路がよく知られているが、この経路では褐藻のアルギン酸（ウロン酸）は代謝できない。そのため、褐藻を摂餌するアワビがどのような代謝経路でアルギン酸を栄養源としているのかは長年不明であった。申請者らは、アワビのアルギン酸代謝を可能とする酵素系を研究し、ウロン酸をピルビン酸とグリセルアルデヒドに代謝する新規の代謝経路の存在を明らかにした。この代謝系は、アワビだけでなく他の藻食性腹足類にも存在していると考えられ、藻食性腹足類がアルギン酸を栄養源として利用可能であることを新しい酵素反応系の存在により示し、長年の問題を解決した点で学術的意義が大きい。

Research Products

• [Journal Article] Polysaccharide-Degrading Enzymes From Marine Gastropods (2018)
  • Author(s): Ojima, T., Rahman, MM., Kumagai, Y., Nishiyama, R., Narsico, J., and Inoue, A.
  • Journal Title: Methods in Enzymology Volume: 605 Pages: 457-497
  • DOI: 10.1016/bs.mie.2018.01.032
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Structure and polymannuronate specificity of a eukaryotic member of the polysaccharide lyase family 14 (2017)
  • Author(s): H-M. Qin, T. Miyakawa, A. Inoue, R. Nishiyama, A. Nakamura, A. Asano, Y. Sawano, T. Ojima, M. Tanokura
  • Journal Title: J. Biol. Chem. Volume: 292 Issue: 6 Pages: 2182-2190
  • DOI: 10.1074/jbc.m116.749929
  • Peer Reviewed
• [Presentation] エゾアワビにおけるアルギン酸由来α-ケト酸の代謝機構 (2018)
  • Author(s): 西山竜士、井上晶、尾島孝男
  • Organizer: マリンバイオテクノロジー学会
• [Presentation] アルギン酸の分解・代謝酵素 (2018)
  • Author(s): 尾島孝男
  • Organizer: 日本水産学会
• [Presentation] エゾアワビのアルギン酸代謝アルドラーゼHdAldの同定 (2017)
  • Author(s): 西山竜士・井上晶・尾島孝男
  • Organizer: 平成29年度日本水産学会春季大会口頭発表
  • Place of Presentation: 東京海洋大学（東京都港区）
  • Year and Date: 2017-03-27
• [Presentation] アルギン酸分解・代謝酵素 (2017)
  • Author(s): 尾島孝男
  • Organizer: 平成29年度日本水産学会春季大会シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京海洋大学（東京都港区）
  • Year and Date: 2017-03-26
• [Presentation] エゾアワビにおけるアルギン酸由来α-ケト酸の代謝機構 (2017)
  • Author(s): 西山竜士・井上晶・尾島孝男
  • Organizer: マリンバイオテクノロジー学会（東北大学青葉台キャンパス）
• [Book] Enzymatic Technologies for Marine Polysaccharides. Chapter 22. Production of value-added materials from alginate by using alginate-degrading and assimilating enzymes (2019)
  • Author(s): Ojima, T., Nishiyama, R., and Inoue, A.
  • Total Pages: 16
  • Publisher: CRC Press, Taylor and Francis group, USA