ポリケチド合成酵素機能改変と難化学合成反応解明による新規天然化合物創出基盤の構築

• 研究課題/領域番号: 16H04905
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 応用微生物学
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 高橋 俊二 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, ユニットリーダー (30311608)
• 研究分担者: 奥村 英夫 公益財団法人高輝度光科学研究センター, タンパク質結晶解析推進室, 研究員 (90377903)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円); 2018年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2017年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2016年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
• キーワード: リベロマイシン / ポリケチド合成酵素 / 異種発現 / 放線菌 / 機能ドメイン改変 / ポリケチド / ドメイン改変 / 二次代謝産物 / 生合成 / 微生物 / BACベクター

研究成果の概要

多様な構造と強い生理活性から天然化合物は創薬探索源として重要である。天然化合物の生合成反応に関わるユニークな酵素を理解し活用することは重要な課題である。本研究では、ポリケチド化合物であるリベロマイシンA (RM-A) 生合成遺伝子クラスターに存在する酵素群に注目した。特に、生合成の最終段階の3級水酸基のエステル化は有機合成反応では極めて困難な反応であるが、本研究助成により、反応に関わる3つの酵素の結晶構造解析に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ポリケチド化合物群は貴重な創薬探索源であり、ポリケチド合成酵素が有する機能ドメインとモジュール構造を改変することは、重要な学術課題である。また、生合成遺伝子クラスター全長を取得し、遺伝子改変を行う意義は極めて大きい。さらに、これらの化合物の構造修飾機構を明らかにすることも重要である。特にRM-A生合成過程には、有機合成的には極めて困難な3級水酸基のエステル化が存在する。これら生合成酵素群の反応機構解明は、難溶性化合物の水溶性向上及びプロドラッグ化手法の開発につながる。新しい学術知見をもとに、天然化合物の創出基盤を構築することによって、社会に貢献する創薬シード導出が期待される。

研究成果

• [国際共同研究] University of Kentucky(米国)
• [雑誌論文] β-carboline biomediators induce reveromycin production in Streptomyces sp. SN-593. (2019)
  • 著者名/発表者名: Panthee S., Takahashi S.*, Hayashi T., Shimizu T, and Osada H.
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 9 号: 1 ページ: 5802-5802
  • DOI: 10.1038/s41598-019-42268-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pentaminomycins A and B, hydroxyarginine-containing cyclic pentapeptides from Streptomyces sp. RK88-1441. (2018)
  • 著者名/発表者名: Jang J.-P., Hwang G.J., Kwon M.C., Ryoo I.-J., Jang M., Takahashi S., Ko S.K., Osada H., Jang J.H., and Ahn J.S.
  • 雑誌名: J. Nat. Prod. 巻: 81 号: 4 ページ: 806-810
  • DOI: 10.1021/acs.jnatprod.7b00882
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Aturanosides A and B, glycosylated anthraquinones with antiangiogenic activity from a soil-derived Streptomyces species. (2018)
  • 著者名/発表者名: Jang J.-P., Hwang G.J., Jang M., Takahashi S., Ko S.K., Osada H., Jang J.H., and Ahn J.S.
  • 雑誌名: J. Nat. Prod. 巻: 81 号: 9 ページ: 2004-2009
  • DOI: 10.1021/acs.jnatprod.8b00307
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Control of the stereochemical course of [4+2] cycloaddition during trans-decalin formation by Fsa2-family enzymes (2018)
  • 著者名/発表者名: Kato N, Nogawa T, Takita R, Kinugasa K, Kanai M, Uchiyama M, Osada H, Takahashi S
  • 雑誌名: Angew Chem Int Ed Engl 巻: 57 号: 31 ページ: 9754-9758
  • DOI: 10.1002/anie.201805050
  • 査読あり
• [雑誌論文] Catenulisporolides, glycosylated triene macrolides from the chemically underexploited actinomycete Catenulispora species. (2018)
  • 著者名/発表者名: Son S., Hong Y.S., Futamura Y., Jang M., Lee J.K., Heo K.T., Ko S.K., Lee J.S., Takahashi S., Osada H., Jang J.H., Ahn J.S.
  • 雑誌名: Org. Lett. 巻: 20 号: 22 ページ: 7234-7238
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.8b03160
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Biosynthesis of Quinolidomicin, the Largest Known Macrolide of Terrestrial Origin: Identification and Heterologous Expression of a Biosynthetic Gene Cluster over 200 kb (2018)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Takuya、Hashimoto Junko、Kozone Ikuko、Amagai Keita、Kawahara Teppei、Takahashi Shunji、Ikeda Haruo、Shin-ya Kazuo
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: 20 号: 24 ページ: 7996-7999
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.8b03570
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Wakodecalines A and B, new decaline metabolites isolated from a fungus Pyrenochaetopsis sp. RK10-F058 (2018)
  • 著者名/発表者名: Nogawa T, Kato N, Shimizu T, Okano A, Futamura Y, Takahahi S, Osada H
  • 雑誌名: The Journal of Antibiotica 巻: 71 号: 1 ページ: 123-128
  • DOI: 10.1038/ja.2017.103
  • 査読あり
• [雑誌論文] Kinanthraquinone, a new anthraquinone carboxamide isolated from Streptomyces reveromyceticus SN-593-44 (2018)
  • 著者名/発表者名: Takagi H, Nogawa T, Futamura Y, Takahashi S, Osada H
  • 雑誌名: The Journal of Antibiotics 巻: 71 号: 4 ページ: 480-482
  • DOI: 10.1038/s41429-017-0020-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biosynthesis and structure activity relationship studies of okaramines that target insect glutamate-gated chloride channels (2018)
  • 著者名/発表者名: Kato Naoki、Furutani Shogo、Otaka Junnosuke、Noguchi Akira、Kinugasa Kiyomi、Kai Kenji、Hayashi Hideo、Ihara Makoto、Takahashi Shunji、Matsuda Kazuhiko、Osada Hiroyuki
  • 雑誌名: ACS Chemical Biology 巻: 13 号: 3 ページ: 561-566
  • DOI: 10.1021/acschembio.7b00878
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of a gene cluster for telomestatin biosynthesis and heterologous expression using a specific promoter in a clean host. (2017)
  • 著者名/発表者名: 4.Amagai, K., Ikeda, H., Hashimoto, J., Kozone, I., Izumikawa, M., Kudo, F., Eguchi, T., Nakamura, T., Osada, H., Takahashi, S., Shin-ya
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 7 号: 1 ページ: 3382-3382
  • DOI: 10.1038/s41598-017-03308-5
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterization of giant modular PKSs provides insight into genetic mechanism for structural diversification of aminopolyol polyketides (2017)
  • 著者名/発表者名: Zhang, L., Hashimoto, T., Qin, B., Hashimoto, J., Kozone, I., Kawahara, T., Okada, M., Awakawa, T., Ito, T., Asakawa, Y., Ueki, M., Takahashi, S., Osada, H., Wakimoto, T., Ikeda, H., Shin-ya, K., Abe, I.
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 56 号: 7 ページ: 1740-1745
  • DOI: 10.1002/anie.201611371
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Octaminomycins A and B, Cyclic Octadepsipeptides Active against Plasmodium falciparum. (2017)
  • 著者名/発表者名: Jang JP, Nogawa T, Futamura Y, Shimizu T, Hashizume D, Takahashi S, Jang JH, Ahn JS, Osada H
  • 雑誌名: J Nat Prod 巻: 80 号: 1 ページ: 134-140
  • DOI: 10.1021/acs.jnatprod.6b00758
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a terpenoid-production platform in Streptomyces reveromyceticus SN-593 (2017)
  • 著者名/発表者名: Khalid A、Takagi H、Panthee S、Muroi M、Chappell J、Osada H、Takahashi S
  • 雑誌名: ACS Synthetic Biology 巻: 6 号: 12 ページ: 2339-2349
  • DOI: 10.1021/acssynbio.7b00249
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Identification of a novel sesquiterpene biosynthetic machinery involved in astellolide biosynthesis. (2016)
  • 著者名/発表者名: Shinohara Y, Takahashi S, Osada H, Koyama Y
  • 雑誌名: Sci Rep 巻: 6 号: 1 ページ: 32865-32865
  • DOI: 10.1038/srep32865
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A crotonyl-CoA reductase-carboxylase independent pathway for assembly of unusual alkylmalonyl-CoA polyketide synthase extender units. (2016)
  • 著者名/発表者名: Ray L., Valentic T., Miyazawa T., Withall D.M., Song L., Milligan J.C., Osada H., Takahashi S., Tsai S.-C., and Challis G.L.
  • 雑誌名: Nat. Commun 巻: 7 号: 1 ページ: 13609-13609
  • DOI: 10.1038/ncomms13609
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] リベロマイシン生合成に関わるRevKの結晶構造解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 奥村英夫、鬼頭奈央子、佐藤裕美、熊坂崇、長田裕之、高橋俊二
  • 学会等名: 農芸化学会
• [学会発表] リベロマイシン生合成に関わるサクシニル化酵素群の相互作用解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鬼頭奈央子、佐藤裕美、奥村英夫、熊坂崇、長田裕之、高橋俊二
  • 学会等名: 農芸化学会
• [学会発表] Development of a terpenoid-production platform in Streptomyces reveromyceticus SN-593 (2019)
  • 著者名/発表者名: Shunji Takahashi
  • 学会等名: 2nd China-Japan Joint Symposium on Natural Product Biosynthesis
  • 国際学会
• [学会発表] 鬼頭奈央子、佐藤裕美、奥村英夫、熊坂崇、長田裕之、高橋俊二 (2018)
  • 著者名/発表者名: リベロマイシン生合成に関わるサクシニル化酵素群の機能解析
  • 学会等名: 放線菌学会
• [学会発表] Kinanthraquinone生合成遺伝子クラスターの解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高尾 理沙、鬼頭 奈央子、高木 海、野川 俊彦、長田 裕之、高橋 俊二
  • 学会等名: 放線菌学会
• [学会発表] 立体選択的デカリン形成を担うFsa2ファミリーDiels-Alderaseの機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤直樹、野川俊彦、衣笠清美、高橋俊二、長田裕之
  • 学会等名: 農芸化学会
• [学会発表] リベロマイシン生合成に関わるサクシニル化酵素群の機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 鬼頭奈央子、高橋俊二、佐藤裕美、奥村英夫、熊坂崇、長田裕之
  • 学会等名: 農芸化学会
• [学会発表] 糸状菌Pyrenochaetopsis sp. RK10-F058より単離した新規デカリン骨格含有二次代謝産物wakodecaline Cの構造 (2018)
  • 著者名/発表者名: 野川俊彦、加藤直樹、清水猛、岡野亜紀子、二村友史、高橋俊二、長田裕之
  • 学会等名: 農芸化学会
• [学会発表] 新規アントラキノンkinanthraquinoneの同定と生物活性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 髙木 海、野川俊彦、二村友史、長田裕之、高橋俊二
  • 学会等名: 農芸化学会
• [学会発表] 麹菌Aspergillus oryzaeが有する新奇セスキテルペン生合成経路の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 篠原靖智，高橋俊二，長田裕之，小山泰二
  • 学会等名: 農芸化学会
  • 発表場所: 京都（京都女子大）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] リベロマイシン生合成に関わる酸化還元酵素RevMの機能解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鬼頭奈央子、高橋俊二、宮澤岳、前島希、田中美帆、室井誠、奥村英夫、熊坂崇、長田裕之
  • 学会等名: 農芸化学会
  • 発表場所: 京都（京都女子大）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] Development of terpenoid production platform using Streptomyces reveromyceticus (2017)
  • 著者名/発表者名: Ammara Khalid, Hiroshi Takagi, Suresh Panthee, Hiroyuki Osada, and Shunji Takahashi.
  • 学会等名: 農芸化学会
  • 発表場所: 京都（京都女子大）
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] リベロマイシン生合成に関わるRevMの機能解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鬼頭奈央子、高橋俊二、佐藤裕美、奥村英夫、熊坂崇、長田裕之
  • 学会等名: 放線菌学会
• [学会発表] Regulation of Reveromycin Biosynthetic Gene Cluster by Small Molecule (2017)
  • 著者名/発表者名: Shunji Takahashi
  • 学会等名: 18th International Symposium on the Biology of Actinomycetes
  • 国際学会
• [学会発表] アミノ酸置換による新規テロメスタチン類縁体の創製 (2016)
  • 著者名/発表者名: 天貝 啓太, 池田 治生, 新家 一男, 高橋 俊二
  • 学会等名: 放線菌学会
  • 発表場所: 東京大学
  • 年月日: 2016-09-08
• [備考] 天然物生合成研究ユニット
  • URL: http://www.csrs.riken.jp/jp/labs/npbu/index.html
• [備考] 天然物生合成研究ユニット
  • URL: http://www.npbrt.riken.jp/