天然ゴム生合成を包括的に制御する転写制御機構の解明

• 研究課題/領域番号: 16K08138
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 応用分子細胞生物学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 高橋 征司 東北大学, 工学研究科, 准教授 (90343061)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円); 2018年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2017年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2016年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
• キーワード: 天然ゴム / ラテックス / パラゴムノキ / 乳管細胞 / イソプレノイド / 転写制御因子 / 発現制御 / イソプレノイト

研究成果の概要

天然ゴム（NR）はゴム工業製品に不可欠な天然材料であるため、遺伝子工学的手法によるNR生産能の向上が期待されている。NR生合成関連タンパク質群は乳管細胞内で特異的に発現しているが、その転写制御機構に関する知見はほとんど得られていなかった。本研究では、パラゴムノキのNR生合成関連遺伝子群の包括的な発現制御を可能とする転写制御因子の同定を目的とした。yeast one-hybrid screeningおよび遺伝子発現プロファイルをもとにした探索の結果、NR生合成関連遺伝子のプロモーター領域に結合する転写制御因子を二種同定することに成功した。これらを用いたNR生産性の向上が期待される。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で同定された転写制御因子の過剰発現による、天然ゴム生合成関連遺伝子群の包括的な発現制御と天然ゴム生産性の向上が期待できる。また、本成果を応用することで、ラテックス特異的遺伝子発現システムの基盤構築も可能となる。このシステムにより、様々な有用二次代謝物生合成系をパラゴムノキで異種発現させることで、蓄積した目的代謝物をラテックスにとともに簡便に、かつ繰り返し回収可能である。主に熱帯地域で生育するパラゴムノキの機能改変による石油化学製品代替天然有機化合物の生産は、温室効果ガス低減と化石燃料枯渇対策を両立可能であり、世界の持続的発展の基盤となり得る。

研究成果

• [雑誌論文] A conserved strategy of chalcone isomerase-like protein to rectify promiscuous chalcone synthase specificity (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Waki, A. Hoshino, et al.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 870-870
  • DOI: 10.1038/s41467-020-14558-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular Mechanisms of Natural Rubber Biosynthesis (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Satoshi、Takahashi Seiji
  • 雑誌名: Annual Review of Biochemistry 巻: 89 号: 1 ページ: 821-851
  • DOI: 10.1146/annurev-biochem-013118-111107
  • 査読あり
• [雑誌論文] Formation of Flavonoid Metabolons: Functional Significance of Protein-Protein Interactions and Impact on Flavonoid Chemodiversity (2019)
  • 著者名/発表者名: Nakayama Toru、Takahashi Seiji、Waki Toshiyuki
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 10
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.00821
  • 査読あり
• [雑誌論文] Glycoside‐specific glycosyltransferases catalyze regio‐selective sequential glucosylations for a sesame lignan, sesaminol triglucoside (2019)
  • 著者名/発表者名: Ono Eiichiro、Waki Toshiyuki、Oikawa Daiki、Murata Jun、Shiraishi Akira、Toyonaga Hiromi、Kato Masako、Ogata Naoki、Takahashi Seiji、Yamaguchi Masa‐atsu、Horikawa Manabu、Nakayama Toru
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 101 号: 5 ページ: 1221-1233
  • DOI: 10.1111/tpj.14586
  • 査読あり
• [雑誌論文] ダイズの5-デオキシ型イソフラボノイド生合成におけるメタボロン形成の役割 細胞内フラボノイド代謝の高効率化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 和氣駿之, 高橋征司, 中山 亨
  • 雑誌名: 化学と生物 巻: 57 ページ: 593-595
  • NAID: 130007920278
  • 査読あり
• [雑誌論文] Physical interactions among flavonoid enzymes in snapdragon and torenia reveal the diversity in the flavonoid metabolon organization of different plant species (2018)
  • 著者名/発表者名: Naoto Fujino, Natsuki Tenma, Toshiyuki Waki, Keisuke Ito, Yuki Komatsuzaki, Keigo Sugiyama, Tatsuya Yamazaki, Saori Yoshida, Masayoshi Hatayama, Satoshi Yamashita, Yoshikazu Tanaka, Reiko Motohashi, Konstantin Denessiouk, Seiji Takahashi and Toru Nakayama
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 94 号: 2 ページ: 372-392
  • DOI: 10.1111/tpj.13864
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Involvement of chalcone reductase in the soybean isoflavone metabolon: identification of GmCHR5, which interacts with 2-hydroxyisoflavanone synthase (2018)
  • 著者名/発表者名: Mameda Ryo、Waki Toshiyuki、Kawai Yosuke、Takahashi Seiji、Nakayama Toru
  • 雑誌名: The Plant Journal 巻: 96 号: 1 ページ: 56-74
  • DOI: 10.1111/tpj.14014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification and characterization of a novel bacterial β-glucosidase that is highly specific for the β-1,2-glucosidic linkage of sesaminol triglucoside (2018)
  • 著者名/発表者名: Sakurai A., Yamashita S., Nakayama T. et al
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 00 号: 9 ページ: 00-00
  • DOI: 10.1080/09168451.2018.1476123
  • 査読あり
• [雑誌論文] Alpha/beta-hydrolases: A unique structural motif coordinates catalytic acid residue in 40 protein fold families (2017)
  • 著者名/発表者名: Dimitriou Polytimi S.、Denesyuk Alexander、Takahashi Seiji、Yamashita Satoshi、Johnson Mark S.、Nakayama Toru、Denessiouk Konstantin
  • 雑誌名: Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 巻: 85 号: 10 ページ: 1845-1855
  • DOI: 10.1002/prot.25338
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Purification and characterization of small and large rubber particles from Hevea brasiliensis (2017)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Satoshi、Mizuno Makie、Hayashi Hidehiko、Yamaguchi Haruhiko、Miyagi-Inoue Yukino、Fushihara Kazuhisa、Koyama Tanetoshi、Nakayama Toru、Takahashi Seiji
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 82 号: 6 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1080/09168451.2017.1401913
  • 査読あり
• [雑誌論文] 明らかになりつつある天然ゴム生合成の分子機構 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋征司, 山下哲
  • 雑誌名: バイオサイエンスとインダストリー 巻: 75
  • NAID: 40021273104
• [雑誌論文] パラゴムノキの天然ゴム生合成酵素の試験管内再構成 (2017)
  • 著者名/発表者名: 山下哲，高橋征司
  • 雑誌名: 月刊機能材料 巻: 37 ページ: 66-72
• [雑誌論文] 天然ゴム生合成機構の謎に迫る (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋征司， 山下哲，伏原和久
  • 雑誌名: 高分子 巻: 66 ページ: 278-280
• [雑誌論文] バイオ資源の探索研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 中山 亨、和氣 駿之、高橋 征司
  • 雑誌名: 化学と教育 巻: 65 号: 1 ページ: 12-15
  • DOI: 10.20665/kakyoshi.65.1_12
  • NAID: 130006787310
  • ISSN: 0386-2151, 2424-1830
• [雑誌論文] バイオ工学を駆使した天然ゴムの合成：生合成機構の解明と安定供給に大きく前進 (2017)
  • 著者名/発表者名: 和氣 駿之，山下 哲，中山 亨，高橋 征司
  • 雑誌名: 化学 巻: 72 ページ: 12-18
  • NAID: 40021273130
• [学会発表] 天然ゴム生合成機構から考える次世代の植物工学 (2020)
  • 著者名/発表者名: 高橋征司
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 天然ゴム生合成機構の解明と多様なポリイソプレノイド生合成への展開 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋征司, 山下哲, 和氣駿之, 戸澤譲, 山口晴彦, 宮城ゆき乃, 伏原和久, 中山亨
  • 学会等名: 第二回天然ゴム研究
  • 招待講演
• [学会発表] In vitro synthesis of natural rubber by recombinant enzymes introduced on rubber particles (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋 征司
  • 学会等名: 27th Assembly of Advanced Materials Congress
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] パラゴムノキの天然ゴム生合成マシナリを構成する タンパク質の機能解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 山口 真琴, 小島 幸治, 廣森 美樹, 石井 智樹, 和氣 駿之, 山下 哲, 戸澤 譲, 山口 晴彦, 井之上 ゆき乃, 伏原 和久, 中山 亨, 高橋 征司
  • 学会等名: 第71回日本生物工学会大会
• [学会発表] セイヨウトウキにおける酵素ファミリーをモデルとしたテルペン合成酵素 の多様性と機能進化に関する研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 栗栖尚嗣, 角掛陽, 茂木大介, 菊池洋平, 廣森美樹, 古谷昌弘, 和氣 駿之, 中山亨, 高橋征司
  • 学会等名: 第29回 イソプレノイド研究会例会
• [学会発表] ゴム粒子上に再構成した天然ゴム生合成マシナリによる多様なイソプレノイドポリマーの試験管内合成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋 征司
  • 学会等名: マテリアル・ファブリケーション・デザインセミナー/第 7 回日本セラミックス協会 MFD 研究会
  • 招待講演
• [学会発表] パラゴムノキのゴム粒子膜上への異種酵素の 導入による新規ポリイソプレノイド生合成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高橋 征司
  • 学会等名: 日本農芸化学会2019年度大会
  • 招待講演
• [学会発表] In vitro natural rubber biosynthesis by prenyltransferases introduced on rubber particles from Hevea brasiliensis (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Ishii, Miki Suenaga-Hiromori, Satoshi Yamashita, Fumihiro Yanbe, Toshiyuki Waki, Kouji Kojima, Haruhiko Yamaguchi, Yukino Miyagi-Inoue, Kazuhisa Fushihara, Toru Nakayama and Seiji Takahashi*
  • 学会等名: The 23rd International Symposium on Plant Lipids
  • 国際学会
• [学会発表] セイヨウトウキ由来テルペン合成酵素ファミリーの網羅的探索と機能解析 (2018)
  • 著者名/発表者名: 茂木大介，末永美樹，菊池洋平，角掛 陽，童 佳麗，栗栖尚嗣， 青木裕一，新藤一敏，古谷昌弘，下山武文，和氣駿之，中山亨，○高橋征司
  • 学会等名: 第28回イソプレノイド研究会例会
• [学会発表] ゴム粒子膜へのタンパク質導入系で明らかにされた天然ゴム生合成の分子機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 高橋 征司
  • 学会等名: 第91回日本生化学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] 天然ゴム生合成機構におけるゴム粒子の重要性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石井 智樹,末永 美樹,山下 哲,山家 史大,和氣 駿之,小島 幸 治,山口 晴彦,井之上 ゆき乃,伏原 和久,中山 亨,高橋 征司
  • 学会等名: 日本農芸化学会2018年度名古屋大会
• [学会発表] 異種生物由来メバロン酸経路の移植による高等植物におけるイソプレノイド高生産プラットフォームの構築 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大竹興一郎，山家史大，田部井仁美，和氣駿之，舛本寛，柴田大輔，中山亨，高橋征司
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 天然ゴムの生合成機構の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 高橋征司
  • 学会等名: 第18回 酵素応用シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Identification and reconstitution of the rubber biosynthetic machinery from Hevea brasiliensis (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Yamashita, Haruhiko Yamaguchi, Toshiyuki Waki, Yuichi Aoki, Makie Mizuno, Fumihiro Yanbe, Tomoki Ishii, Ayuta Funaki, Yuzuru Tozawa, Yukino Miyagi-Inoue, Kazuhisa Fushihara, Toru Nakayama and Seiji Takahashi
  • 学会等名: Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] 高等植物のシス型プレニルトランスフェラーゼの活性制御における NgBR ファミリータンパク質の役割 (2017)
  • 著者名/発表者名: 皆川知歩,和氣駿之,山家史大,石井智樹,解良康太,平間匠,工藤雅史, 山下哲,中山亨,高橋征司
  • 学会等名: 第 27 回イソプレノイド研究会例会
• [学会発表] パラゴムノキの乳管特異的な遺伝子発現制御に寄与するタンパク質の探索 (2016)
  • 著者名/発表者名: 高橋征司
  • 学会等名: 第26回イソプレノイド研究会
  • 発表場所: 長崎県立大学
• [図書] バイオ実験を安全に行うために (2018)
  • 著者名/発表者名: 化学同人編集部 編、高橋征司（1章、共著）
  • 総ページ数: 140
  • 出版者: 化学同人
  • ISBN: 9784759819212
• [図書] 基礎から学ぶ植物代謝生化学 (2018)
  • 著者名/発表者名: 水谷 正治、士反 伸和、杉山 暁史／編、高橋 征司（3章、共著）
  • 総ページ数: 328
  • 出版者: 羊土社
  • ISBN: 9784758120906