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植物の有用物質生産に関与する膜酵素複合体のコア構造と膜上ダイナミクスの解明

研究課題

研究課題/領域番号 21H02115
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分38030:応用生物化学関連
研究機関金沢大学

研究代表者

山下 哲  金沢大学, 物質化学系, 准教授 (70361186)

研究分担者 戸澤 譲  埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (90363267)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2023年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2022年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2021年度: 10,530千円 (直接経費: 8,100千円、間接経費: 2,430千円)
キーワード天然ゴム / フラボノイド / メタボロン / イソプレノイド / 植物特化代謝 / 二次代謝産物 / 結晶構造 / 脂溶性有用物質 / X線結晶構造解析 / ナノディスク / 無細胞翻訳系
研究開始時の研究の概要

植物が生産するフラボノイドや天然ゴムなどの有用な二次代謝産物は、膜に結合する酵素が複合体をつくることにより効率的に合成していることが徐々にわかってきているが、この膜酵素複合体は壊れやすく、詳細に観察された例がない。本研究では、酵素複合体をナノスケールのディスク状膜構造へ乗せ、その機能に必要な最小単位(コア構造)を解明する。方法として、上記の膜構造に乗せた酵素を特殊な試薬で結び付けたり、同時に結晶化したりすることにより、複数の酵素がどのように相互作用しているかを解明する。また、ナノスケールの酵素の動きを観察できる原子間力顕微鏡(高速バイオAFM)を用いて、複合体のダイナミックな姿を明らかにする。

研究成果の概要

植物が生産する有用な二次代謝産物は、膜上で酵素複合体メタボロンの形成により効率的に合成されることが明らかになってきた。代替生産系を構築する上でも、メタボロンの構造と機能を理解することが不可欠であるが、メタボロンの相互作用は一般的に弱く、膜上で一過性に形成される複合体の単離も困難であり、複合体の量論比、相互作用に関する知見は少ない。本研究ではフラボノイドおよび天然ゴム生合成系の複合体の膜上における酵素学的解析、複合体のX線結晶構造解析、化学的架橋による相互作用解析等を行なった。その結果、複合体の量論比と活性発現の相関を解明し、相互作用界面、およびダイナミクスに関する知見を得ることに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

植物が生産する二次代謝産物は、近年は植物特化代謝産物とよばれ、薬用化合物の宝庫である。また、植物特化代謝産物の一種である天然ゴムは、化学成分としては普遍的なイソプレンという繰り返しから合成されるものでありながら、ポリマーとしてのゴムは、特定のゴム生産植物しか合成できない。そのため、植物は奇跡の化学工場とも言われているが、そのキーとなるのが酵素複合体メタボロンの形成である。これらの作用機序、複合体構造、量論比、相互作用界面に関する知見を得ることは、基礎科学として新規性が高いが、微生物などの他の宿主で植物特化代謝の代替生産系を構築する応用上、必要不可欠な情報であり、大きな波及効果がある。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (36件)

すべて 2024 2023 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (26件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] University of Tennessee, Knoxville(米国)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Cell-free translation system with artificial lipid-monolayer particles as a unique tool for characterizing lipid-monolayer binding proteins2024

    • 著者名/発表者名
      Kuroiwa Fu、Suda Hiraku、Yabuki Maho、Atsuzawa Kimie、Yamaguchi Haruhiko、Toyota Masatsugu、Kaneko Yasuko、Yamashita Satoshi、Takahashi Seiji、Tozawa Yuzuru
    • 雑誌名

      Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry

      巻: 88 号: 5 ページ: 555-560

    • DOI

      10.1093/bbb/zbae026

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Front Cover: Structural‐Functional Correlations between Unique N‐terminal Region and C‐terminal Conserved Motif in Short‐chain <i>cis</i>‐Prenyltransferase from Tomato (ChemBioChem 7/2024)2024

    • 著者名/発表者名
      Imaizumi Riki、Matsuura Hiroaki、Yanai Taro、Takeshita Kohei、Misawa Shuto、Yamaguchi Haruhiko、Sakai Naoki、Miyagi‐Inoue Yukino、Suenaga‐Hiromori Miki、Waki Toshiyuki、Kataoka Kunishige、Nakayama Toru、Yamamoto Masaki、Takahashi Seiji、Yamashita Satoshi
    • 雑誌名

      ChemBioChem

      巻: 25 号: 7

    • DOI

      10.1002/cbic.202400160

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural insights into a bacterial β-glucosidase capable of degrading sesaminol triglucoside to produce sesaminol: toward the understanding of the aglycone recognition mechanism by the C-terminal lid domain2023

    • 著者名/発表者名
      Yanai Taro、Takahashi Yukino、Katsumura Eri、Sakai Naoki、Takeshita Kohei、Imaizumi Riki、Matsuura Hiroaki、Hongo Shuntaro、Waki Toshiyuki、Takahashi Seiji、Yamamoto Masaki、Kataoka Kunishige、Nakayama Toru、Yamashita Satoshi
    • 雑誌名

      The Journal of Biochemistry

      巻: 174 号: 4 ページ: 335-344

    • DOI

      10.1093/jb/mvad048

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Influence of distal glycan mimics on direct electron transfer performance for bilirubin oxidase bioelectrocatalysts2023

    • 著者名/発表者名
      Nishida Sayaka、Sumi Hinata、Noji Haruna、Itoh Akira、Kataoka Kunishige、Yamashita Satoshi、Kano Kenji、Sowa Keisei、Kitazumi Yuki、Shirai Osamu
    • 雑誌名

      Bioelectrochemistry

      巻: 152 ページ: 108413-108413

    • DOI

      10.1016/j.bioelechem.2023.108413

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 酵素の機能改変で自然界に存在しないポリイソプレノイドを合成2023

    • 著者名/発表者名
      高橋 征司, 竹下 浩平, 山口 晴彦, 山下 哲
    • 雑誌名

      JETI = ジェティ : Japan energy & technology intelligence

      巻: 70 ページ: 91-94

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] 天然ゴムの生合成コア酵素系の試験管内再構成2022

    • 著者名/発表者名
      黒岩風, 戸澤譲
    • 雑誌名

      バイオサイエンスとインダストリー

      巻: 80 ページ: 488-490

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [雑誌論文] Reconstitution of prenyltransferase activity on nanodiscs by components of the rubber synthesis machinery of the Para rubber tree and guayule2022

    • 著者名/発表者名
      Kuroiwa Fu、Nishino Akira、Mandal Yasuko、Honzawa Masataka、Suenaga-Hiromori Miki、Suzuki Kakeru、Takani Yukie、Miyagi-Inoue Yukino、Yamaguchi Haruhiko、Yamashita Satoshi、Takahashi Seiji、Tozawa Yuzuru
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 12 号: 1

    • DOI

      10.1038/s41598-022-07564-y

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Structure‐based engineering of a short‐chain <i>cis</i>‐prenyltransferase to biosynthesize nonnatural all‐ <i>cis</i> ‐polyisoprenoids: molecular mechanisms for primer substrate recognition and ultimate product chain‐length determination2022

    • 著者名/発表者名
      Kutsukawa Ryo、Imaizumi Riki、Suenaga‐Hiromori Miki、Takeshita Kohei、Sakai Naoki、Misawa Shuto、Yamamoto Masaki、Yamaguchi Haruhiko、Miyagi‐Inoue Yukino、Waki Toshiyuki、Kataoka Kunishige、Nakayama Toru、Yamashita Satoshi、Takahashi Seiji
    • 雑誌名

      The FEBS Journal

      巻: - 号: 15 ページ: 4602-4621

    • DOI

      10.1111/febs.16392

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Catalytic promiscuity of rice 2-oxoglutarate/Fe(II)-dependent dioxygenases supports xenobiotic metabolism2021

    • 著者名/発表者名
      Takamura Natsuki、Yamazaki Akihiko、Sakuma Nozomi、Hirose Sakiko、Sakai Motonari、Takani Yukie、Yamashita Satoshi、Oshima Masahiro、Kuroki Makoto、Tozawa Yuzuru
    • 雑誌名

      Plant Physiology

      巻: 187 号: 2 ページ: 816-828

    • DOI

      10.1093/plphys/kiab293

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Structural basis of short-chain cis-prenyltransferase from plants.2023

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Yamashita
    • 学会等名
      TERPNET 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Protein engineering, purification and characterization of a regulatory protein for cis-prenyltransferase from plant2023

    • 著者名/発表者名
      Taro YANAI, Kohei TAKESHITA, Riki IMAIZUMI, Natsumi TAMURA, Haruhiko YAMAGUCHI, Yukino MIYAGI-INOUE, Kunishige KATAOKA, Masaki YAMAMOTO, Toru Nakayama, Seiji TAKAHASHI, Satoshi YAMASHITA
    • 学会等名
      TERPNET 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] n vitro reconstitution of core components of the rubber synthesis machinery based on a cell-free translation system.2023

    • 著者名/発表者名
      Fu Kuroiwa, Haruhiko Yamaguchi, Yukino Miyagi, Satoshi Yamashita, Seiji Takahashi, and Yuzuru Tozawa
    • 学会等名
      TERPNET 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural and functional importance of the C-terminal conserved region of neryl diphosphate synthase from tomato2023

    • 著者名/発表者名
      Riki Imaizumi, Shuto Misawa, Taro Yanai, Kohei Takeshita, Hiroaki Matsuura, Haruhiko Yamaguchi, Yukino Miyagi-Inoue, Naoki Sakai, Kunishige Kataoka, Masaki Yamamoto, Toru Nakayama, Seiji Takahashi, Satoshi Yamashita
    • 学会等名
      TERPNET 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 両親媒性コポリマーによる可溶化技術を用いたパラゴムノキ(Hevea brasiliensis)の天然ゴム生合成複合体単離2023

    • 著者名/発表者名
      KHAN Nadia Nur Shazana Binti Abu Talib, 小島幸治, 山口晴彦, 三上智世, 廣森美樹, 和氣駿之, 宮城ゆき乃, 山下哲, 戸澤譲, 中山亨、高橋征司
    • 学会等名
      日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Biosynthesis of non-natural polyisoprenoids by functionally modified cis-prenyltransferases2022

    • 著者名/発表者名
      Haruhiko Yamaguchi, Yukino Miyagi-Inoue, Ryo Kutsukawa, Riki Imaizumi, Miki Suenaga-Hiromori, Syuto Misawa, Toshiyuki Waki, Toru Nakayama, Satoshi Yamashita, Seiji Takahashi
    • 学会等名
      33rd Annual Association for Advancement of Industrial Crops (AAIC) meeting
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Structural basis and protein engineering of polyisoprenoid synthase2022

    • 著者名/発表者名
      山下哲
    • 学会等名
      第3回天然ゴム研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Protein Engineering of the Regulatory Factor for Natural Rubber Synthase and its Structural Evaluation2022

    • 著者名/発表者名
      矢内太朗, 田村夏美, 山口晴彦, 宮城ゆき乃, 竹下浩平, 片岡邦重, 戸澤譲, 高橋征司, 山下哲
    • 学会等名
      第3回天然ゴム研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Purification and Structural Analysis of a Membrane Protein Involved in Emulsification of Natural Rubber2022

    • 著者名/発表者名
      吉田城啓,黒澤悠太郎,林文晶,山口晴彦,島春奈,川端健太,竹下浩平, 宮城ゆき乃,片岡邦重,山下哲
    • 学会等名
      第3回天然ゴム研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Structural determination and identification of regulation mechanisms of a natural rubber synthase homolog from plant2022

    • 著者名/発表者名
      今泉璃城,三沢柊人,山口晴彦,宮城ゆき乃,竹下浩平,廣森美樹,高橋征司,山下哲
    • 学会等名
      第3回天然ゴム研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Enzymatic characterization of a trans-prenyltransferase from Manilkara zapota MztPT22022

    • 著者名/発表者名
      井澤大輔,三輪幸祐,廣森美樹,青木裕一,和氣駿之,小島幸治,山口晴彦,宮城ゆき乃,山下哲,戸澤譲,中山亨,高橋征司
    • 学会等名
      第3回天然ゴム研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] olubilization of rubber particle membrane proteins by amphiphilic copolymers2022

    • 著者名/発表者名
      三上智世,NADIA NUR SHAZANA BINTI ABU TALIB KHAN,小島幸治,山口 晴彦,廣森 美樹,和氣 駿之,宮城 ゆき乃,山下 哲,戸澤 譲,中山 亨,高橋 征司
    • 学会等名
      第3回天然ゴム研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 脂肪滴およびゴム粒子の構造維持に関わる膜タンパク質の比較解析2022

    • 著者名/発表者名
      中山隆司,開琢海,三輪 幸祐,廣森 美樹,和氣 駿之,山下哲,戸澤 譲,山口晴彦,宮城ゆき乃, 岩井 雅子,太田 啓之,中山 亨,高橋 征司
    • 学会等名
      第95回日本生化学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Structural insight into the inhibition of chalcone synthase, the initial enzyme of flavonoid biosynthesis2022

    • 著者名/発表者名
      安田あおい,今泉璃城,中多舜,竹下浩平、坂井直樹、和氣駿之,片岡邦重,中山亨,山下哲
    • 学会等名
      第95回日本生化学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Purification and characterization of N-terminally truncated HRBP, a regulatory protein for natural rubber synthase2022

    • 著者名/発表者名
      矢内太朗,今泉璃城,田村夏美,山口晴彦、宮城ゆき乃、片岡邦重,高橋征司,山下哲
    • 学会等名
      第95回日本生化学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Functional study of putative catalytic residues of sesaminol glycoside hydrolyzing enzyme2022

    • 著者名/発表者名
      高橋由季乃、矢内太朗、勝村恵理、和氣駿之、片岡邦重、中山亨、山下哲
    • 学会等名
      第95回日本生化学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 天然ゴム生合成に関与する膜結合型タンパク質の末端構造の解析2022

    • 著者名/発表者名
      吉田城啓,黒澤悠太郎,林文晶,山口晴彦,竹下浩平, 宮城ゆき乃,片岡邦重,山下哲
    • 学会等名
      2022年度日本化学会北陸地区講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 植物由来トランス型プレニルトランスフェラーゼの精製と結晶化2022

    • 著者名/発表者名
      森麻人, 今泉璃城, 矢内太朗, 山口晴彦, 竹下浩平, 宮城ゆき乃, 片岡邦重, 高橋征司, 山下哲
    • 学会等名
      2022年度日本化学会北陸地区講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] X線結晶構造に基づくシス型プレニルトランスフェラーゼの末端領域の機能解析2022

    • 著者名/発表者名
      三沢 柊人、今泉璃城、廣森美樹、片岡邦重、中山享、高橋征司、山下哲
    • 学会等名
      日本生化学会北陸支部第40回大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 天然ゴム生合成機構の解明に向けた脂質単層膜ベシクルシステムの構築2022

    • 著者名/発表者名
      黒岩風, 矢吹眞帆, 山口晴彦, 宮城ゆき乃, 山下哲, 高橋征司, 戸澤譲
    • 学会等名
      第3回天然ゴム研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] パラゴムノキの天然ゴム生合成酵素複合体におけるタンパク質間相互作用ドメインとその機能的意義の解析2022

    • 著者名/発表者名
      Nadia NUR SHAZANA BINTI ABU TALIB KHAN、廣森美樹、和氣駿之、山下哲、戸澤譲、山口晴彦、宮城ゆき乃、中山亨、高橋征司
    • 学会等名
      日本農芸化学会2022年度大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] トマト由来ネリル二リン酸合成酵素NDPS1のX線結晶構造解析2022

    • 著者名/発表者名
      今泉璃城、三沢柊人、竹下浩平、坂井直樹、山口晴彦、宮城ゆき乃、片岡邦重、中山享、高橋征司、山下哲
    • 学会等名
      日本農芸化学会2022年度大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 天然ゴム生合成マシナリーのコアサブユニットの解析2022

    • 著者名/発表者名
      黒岩風、西野輝、本澤正隆、廣森美樹、モンドル慶子、山口晴彦、宮城ゆき乃、山下哲、高橋征司、戸澤譲
    • 学会等名
      日本農芸化学会2022年度大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] パラゴムノキおよびグアユール由来タンパク質によるナノディスク上へのプレニルトランスフェラーゼ活性の再構成2021

    • 著者名/発表者名
      黒岩風, 西野輝, 廣森美樹, モンドル慶子, 山口晴彦, 宮城ゆき乃, 山下哲, 高橋征司, 戸澤譲
    • 学会等名
      イソプレノイド研究会例会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] サポジラ(Manilkara zapota)由来trans型プレニルトランスフェラーゼの酵素機能解析2021

    • 著者名/発表者名
      三輪幸祐, 廣森美樹, 青木裕一, 和氣駿之, 小島幸治, 山下哲, 山口晴彦, 宮城ゆき乃, 戸澤譲, 中山亨, 高橋征司
    • 学会等名
      イソプレノイド研究会例会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 無細胞翻訳系を用いた脂肪滴への外来酵素導入によるイソプレノイドポリマー生産2021

    • 著者名/発表者名
      開琢海, 三輪幸祐, 廣森美樹, 和氣駿之, 山下哲, 戸澤譲, 山口晴彦, 宮城ゆき乃, 岩井雅子, 太田啓之, 中山亨, 高橋征司
    • 学会等名
      イソプレノイド研究会例会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2025-01-30  

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