Elucidation of D-amino acid-induced protein expression by analyses of gene expression and amino acid dynamics

• Project/Area Number: 20K05729
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 37020:Chemistry and chemical methodology of biomolecules-related
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: KAWAKAMI Ryushi 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(生物資源産業学域), 准教授 (90380120)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 遺伝子発現 / D-アミノ酸 / 転写因子 / 超好熱アーキア / アミノ酸ラセマーゼ

Outline of Research at the Start

高等生物やバクテリアにおいて、D-アミノ酸が重要な生理機能を担うことが分かってきている。申請者は、第3のドメインに分類される超好熱アーキアもD-アミノ酸に対して生理的な作用を示すことを初めて明らかにした。本研究では、D-アミノ酸培養によって発現する遺伝子の網羅的同定と酵素の機能構造解析や誘導前後のアミノ酸動態の解析を通じて、アーキアにおいてD-アミノ酸がどのような生理作用を示すのかを明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we attempted to elucidate the expression mechanism of amino acid racemase (BAR) in the hyperthermophilic archaea Pyrococcus horikoshii OT3 using gene expression analysis, EMSA analysis, and X-ray crystallographic analysis. It was found that the gene expression was controlled by transcription factor protein interacting with D-amino acid. This is the first observation that D-amino acids function as physiologically active substances in archaea.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

今回の研究で、超好熱アーキアがD-アミノ酸を生理機能物質として利用していることを初めて明らかにした。D-アミノ酸の生体内における生理機能はヒトなどの高等生物やバクテリアにおいても知られており、アーキアの中でも共通祖先に近いとされる超好熱アーキアでのD-アミノ酸機能の発見は進化の観点からも興味深い。今後のD-アミノ酸研究の新たな基盤づくりに貢献できたと考えている。

Research Products

• [Journal Article] Crystal structure of a novel type of ornithine δ-aminotransferase from the hyperthermophilic archaeon Pyrococcus horikoshii (2022)
  • Author(s): Kawakami Ryushi、Ohshida Tatsuya、Hayashi Junji、Yoneda Kazunari、Furumoto Toshio、Ohshima Toshihisa、Sakuraba Haruhiko
  • Journal Title: International Journal of Biological Macromolecules Volume: 208 Pages: 731-740
  • DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2022.03.114
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] PH0140転写因子によるアミノ酸ラセマーゼ遺伝子クラスターの発現制御 (2022)
  • Author(s): 川上竜巳、河瀬智紀、上原太良、櫻庭春彦、大島敏久
  • Organizer: 極限環境生物学会
• [Presentation] 超好熱アーキアPyrococcus horikoshii のD-アミノ酸培養における遺伝子発現解析 (2022)
  • Author(s): 河瀬智紀、佐藤樹夫、川上竜巳
  • Organizer: 日本農芸化学会西日本・中四国・関西支部合同大会
• [Presentation] 放線菌 Rhodococcus opacus B4株由来 L-アミノ酸オキシダーゼの大腸菌発現と機能解析 (2022)
  • Author(s): 佐藤樹夫、河瀬智紀、川上竜巳
  • Organizer: 日本農芸化学会西日本・中四国・関西支部合同大会
• [Presentation] 超好熱アーキアPyrococcus horikoshii におけるL-Ile/D-allo-Ileによるアミノ酸ラセマーゼ遺伝子の発現制御 (2022)
  • Author(s): 川上竜巳、河瀬智紀、佐藤樹夫、櫻庭春彦、大島敏久
  • Organizer: 極限環境生物学会