イオウ依存型エネルギー代謝機構の解明：発酵科学・医学生物学のニューパラダイム

• 研究課題/領域番号: 19K15803
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分38060:応用分子細胞生物学関連
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 西村 明 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (30781728)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円); 2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: 活性イオウ / エネルギー代謝 / イオウ呼吸 / 酵母 / 発酵

研究開始時の研究の概要

発酵生産は生育に必要なエネルギーを目的の有用物質の代謝に活用するため、目的物質の生産性が増加するに伴い、生育遅延がしばしば起こる。従って、目的物質の生産性の向上は、細胞の生育と生産性のバランスを上手く維持しながら、これまで進められてきた。しかし、細胞が有するエネルギーの総量が決まっているため、従来の代謝工学を活用した方法には限界がきている。最近、応募者らは、酵母を含む真核生物において、新規なエネルギー代謝である「イオウ呼吸」を発見した。本研究では、酵母におけるイオウ呼吸を巧みに利用することで、生育と生産性を共に増強させるエネルギー代謝機構に基づき、発酵生産を飛躍的に改良する手段を提唱する。

研究成果の概要

本研究では、活性イオウ分子を発酵生産に応用するために、これまで未解明であった出芽酵母における活性イオウ分子の生成経路の同定および、その経路を破壊した変異体の表現型の探索を行った。先ず、出芽酵母における活性イオウ分子の産生系が哺乳類や細菌類と同様であり、cysteinyl-tRNA synthetase(CARS)によって産生させることを見いだした。さらに、この経路の欠損株は寿命が大幅に短縮することを発見し、活性イオウ分子が寿命の新規制御因子であることが示唆された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究成果は、発酵科学へ応用のみならず、エネルギー代謝異常が関わる各種疾患（加齢、ミトコンドリア病、生活習慣病、がん等）の発症機構の理解と予防・治療法の開発に大きく寄与することが期待される。また、活性イオウ分子の産生系をターゲットにした抗真菌薬の開発も抗菌・真菌薬開発も期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Downregulation of the broad-specificity amino acid permease Agp1 mediated by the ubiquitin ligase Rsp5 and the arrestin-like protein Bul1 in yeast (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanahashi Ryoya、Matsushita Tomonori、Nishimura Akira、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: - 号: 5 ページ: 1266-1274
  • DOI: 10.1093/bbb/zbab028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inhibitory effect of arginine on proline utilization in Saccharomyces cerevisiae (2020)
  • 著者名/発表者名: Akira Nishimura, Tsubasa Tanikawa, Hiroshi Takagi
  • 雑誌名: Yeast 巻: 37 号: 9-10 ページ: 531-540
  • DOI: 10.1002/yea.3504
  • NAID: 120007146507
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The yeast α-arrestin Art3 is a key regulator for arginine-induced endocytosis of the high-affinity proline transporter Put4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Akira Nishimura, Ryoya Tanahashi, Hiroshi Takagi
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 531 号: 3 ページ: 416-421
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.07.117
  • NAID: 120007147755
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effects of a novel variant of the yeast γ-glutamyl kinase Pro1 on its enzymatic activity and sake brewing (2020)
  • 著者名/発表者名: Murakami Naoyuki、Kotaka Atsushi、Isogai Shota、Ashida Keiko、Nishimura Akira、Matsumura Kengo、Hata Yoji、Ishida Hiroki、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 巻: 47 号: 9-10 ページ: 715-723
  • DOI: 10.1007/s10295-020-02297-1
  • NAID: 120007147752
  • 査読あり
• [雑誌論文] The C2 domain of the ubiquitin ligase Rsp5 is required for ubiquitination of the endocytic protein Rvs167 upon change of nitrogen source (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanahashi Ryoya、Afiah Tira Siti Nur、Nishimura Akira、Watanabe Daisuke、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: FEMS Yeast Research 巻: 20 号: 7
  • DOI: 10.1093/femsyr/foaa058
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of Protein Function Through Oxidation and Reduction of Persulfidated States (2020)
  • 著者名/発表者名: E Doka, T Ida, M Dagnell, Y Abiko, N C Luong, N Balog, T Takata, B Espinosa, A Nishimura, Q Cheng, Y Funato, H Miki, J M Fukuto, J R Prigge, E E Schmidt, E S J Arner, Y Kumagai, T Akaike, P Nagy
  • 雑誌名: Sci Adv 巻: 6 号: 1 ページ: 8358-8358
  • DOI: 10.1126/sciadv.aax8358
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mitochondrial cysteinyl-tRNA synthetase is expressed via alternative transcriptional initiation regulated by energy metabolism in yeast cells (2019)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Nasuno Ryo、Yoshikawa Yuki、Jung Minkyung、Ida Tomoaki、Matsunaga Tetsuro、Morita Masanobu、Takagi Hiroshi、Motohashi Hozumi、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 294 号: 37 ページ: 13781-13788
  • DOI: 10.1074/jbc.ra119.009203
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] アルギニンによる酵母のプロリン資化抑制機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、高木 博史
  • 学会等名: 日本農芸化学学会
  • 招待講演
• [学会発表] 酵母Saccharomyces cerevisiaeにおけるプロリン資化抑制機構の理解 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、棚橋 亮弥、高木 博史
  • 学会等名: 日本生化学会
• [学会発表] 酵母Saccharomyces cerevisiaeにおけるアルギニンによるプロリン資化抑制機構の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、谷川 翼、棚橋 亮弥、高木 博史
  • 学会等名: 日本醸造学会
• [学会発表] Biosynthesis and physiological functions of reactive cysteine persulfides (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira Nishimura, Tomoaki Ida, Masanobu Morita, Tetsuro Matsunaga, Hiroshi Takagi, Hozumi Motohashi, Takaaki Akaike
  • 学会等名: SFRR Asia
  • 国際学会
• [学会発表] 活性パースルフィドの種横断的な生理機能の解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、井田 智章、守田 匡伸、松永 哲郎、高木 博史、本橋 ほづみ、赤池 孝章
  • 学会等名: 日本生化学会
• [備考] リサーチマップ（西村明）
  • URL: https://researchmap.jp/akira_nishimura
• [備考] NAIST 高木研のホームページ
  • URL: https://bsw3.naist.jp/takagi/