アルギニンによるプロリン資化抑制機構の理解とワイン発酵への応用展開

• 研究課題/領域番号: 21K05504
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 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): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
• キーワード: プロリン資化 / アルギニン / 酵母 / Saccharomyces cerevisiae / トランスセプター / ワイン発酵 / MCC/eisosome

研究開始時の研究の概要

酵母Saccharomyces cerevisiaeはワインなどの醸造に用いられ、酵母による原料の資化が酒類の味や風味を決める。プロリンはワインの原料であるブドウ中に最も豊富に含まれるアミノ酸であるが、発酵中の酵母はプロリンをほとんど資化することができず、発酵後も多量に残存する。残存したプロリンは苦味の増加や酸味の減少を引き起こし、最終製品であるワインの酒質を低下させる。申請者は最近、発酵環境中に存在するアルギニンがプロリン資化抑制因子であることを発見した。本研究では、発酵環境下においてプロリンを効率良く資化できる菌株の創製を目的とし、アルギニンによるプロリン資化抑制機構の全容解明を目指す。

研究実績の概要

これまでに、酵母のプロリン資化抑制機構にアルギニン（Arg）が関与していることが知られていた。本研究では、まず、Arg以外の塩基性アミノ酸がPro資化能に及ぼす影響を検討したところ、オルニチンやリジンもPut4のエンドサイトーシスを誘導することで、Pro資化抑制因子として働くことが分かった。次に、塩基性アミノ酸存在下でもプロリン資化が可能な変異株の分離を試み、4株を取得した。これら4株の全ゲノムDNA配列を決定したところ、全ての株でArgトランスポーターCan1をコードする遺伝子にアミノ酸置換を伴う変異（Gly434Cys, Leu161Pro, Gly224Cys, Ala379Ile）を見出した。また、これらのCan1変異体を解析した結果、Argトランスポーター活性は、Pro資化抑制の制御と無関係であることが明らかになった。このことから、Can1はArg取込み以外の機能を有することが示唆された。近年、トランスポーターの中で輸送活性以外に外部環境因子の受容体活性を持つタンパク質が報告されている。このような受容体様の機能を併せ持つトランスポーターは「トランスセプター」と呼ばれ、炭素源応答の主要制御系であるProtein kinase A（PKA）シグナルをcyclic AMP （cAMP）非依存的に活性化する。そこで、Can1もトランスセプターである可能性を考え、Arg添加時のPKAシグナルの活性化レベルを検討した。その結果、Arg添加によってCan1依存的にPKAシグナルが活性化することが判明した。また、その活性化はcAMP非依存的に起こることが示された。以上のことから、ArgはCan1依存的にPKAを活性化させ、Pro資化抑制の制御を行っていることが強く示唆された。さらに、Can1はPKAの触媒サブユニットと直接結合し、プロリン資化抑制を制御していることも判明した。

研究成果

• [国際共同研究] UC Davis(米国)
• [国際共同研究] カリフォルニア大学デービス校(米国)
• [国際共同研究] カリフォルニア大学デービス校(米国)
• [雑誌論文] Longevity control by supersulfide-mediated mitochondrial respiration and regulation of protein quality (2024)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Yoon Sunghyeon、Matsunaga Tetsuro、Ida Tomoaki、Jung Minkyung、Ogata Seiryo、Morita Masanobu、Yoshitake Jun、Unno Yuka、Barayeu Uladzimir、Takata Tsuyoshi、Takagi Hiroshi、Motohashi Hozumi、van der Vliet Albert、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Redox Biology 巻: 69 ページ: 103018-103018
  • DOI: 10.1016/j.redox.2023.103018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Functional analysis of feedback inhibition-insensitive aspartate kinase identified in a threonine-accumulating mutant of Saccharomyces cerevisiae (2024)
  • 著者名/発表者名: Isogai Shota、Nishimura Akira、Inoue Akiko、Sonohara Shino、Tsugukuni Takashi、Okada Tomoyuki、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Applied and Environmental Microbiology 巻: 10 号: 4
  • DOI: 10.1128/aem.00155-24
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Identification of an arginine transporter in <i>Candida glabrata</i> (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Tanahashi Ryoya、Nakagami Kazuki、Morioka Yuto、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: The Journal of General and Applied Microbiology 巻: 69 号: 4 ページ: 229-233
  • DOI: 10.2323/jgam.2023.03.003
  • ISSN: 0022-1260, 1349-8037
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Synthesis of sulfides and persulfides is not impeded by disruption of three canonical enzymes in sulfur metabolism (2023)
  • 著者名/発表者名: Zainol Abidin Qamarul Hafiz、Ida Tomoaki、Morita Masanobu、Matsunaga Tetsuro、Nishimura Akira、Jung Minkyung、Hassan Naim、Takata Tsuyoshi、Ishii Isao、Kruger Warren、Wang Rui、Motohashi Hozumi、Tsutsui Masato、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Antioxidants 巻: 12 号: 4 ページ: 868-868
  • DOI: 10.3390/antiox12040868
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Supersulfide catalysis for nitric oxide and aldehyde metabolism (2023)
  • 著者名/発表者名: Kasamatsu Shingo、Nishimura Akira、Alam Md. Morshedul、Morita Masanobu、Shimoda Kakeru、Matsunaga Tetsuro、Jung Minkyung、Ogata Seiryo、Barayeu Uladzimir、Ida Tomoaki、Nishida Motohiro、Nishimura Akiyuki、Motohashi Hozumi、Akaike Takaaki
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 9 号: 33 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1126/sciadv.adg8631
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] PKA-Msn2/4-Shy1 cascade controls inhibition of proline utilization under wine fermentation models (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Tanahashi Ryoya、Nakazawa Hayate、Oi Tomoki、Mima Misaki、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Bioscience and Bioengineering 巻: 136 号: 6 ページ: 438-442
  • DOI: 10.1016/j.jbiosc.2023.10.005
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Isolation of Yeast Strains with Higher Proline Uptake and Their Applications to Beer Fermentation (2023)
  • 著者名/発表者名: Tanahashi Ryoya、Nishimura Akira、Nguyen Minh、Sitepu Irnayuli、Fox Glen、Boundy-Mills Kyria、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Fungi 巻: 9 号: 12 ページ: 1137-1137
  • DOI: 10.3390/jof9121137
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Regulations and functions of proline utilization in yeast Saccharomyces cerevisiae (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 88 号: 2 ページ: 131-137
  • DOI: 10.1093/bbb/zbad165
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Plasmid-free CRISPR/Cas9 genome editing in Saccharomyces cerevisiae (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Tanahashi Ryoya、Oi Tomoki、Kan Kyoyuki、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 87 号: 4 ページ: 458-462
  • DOI: 10.1093/bbb/zbad008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The arginine transporter Can1 acts as a transceptor for regulation of proline utilization in the yeast Saccharomyces cerevisiae (2023)
  • 著者名/発表者名: Tanahashi Ryoya、Nishimura Akira、Morita Fumika、Nakazawa Hayate、Taniguchi Atsuki、Ichikawa Kazuki、Nakagami Kazuki、Boundy‐Mills Kyria、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Yeast 巻: - 号: 8 ページ: 333-348
  • DOI: 10.1002/yea.3836
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Improvement of valine and isobutanol production in sake yeast by Ala31Thr substitution in the regulatory subunit of acetohydroxy acid synthase (2023)
  • 著者名/発表者名: Isogai Shota、Nishimura Akira、Murakami Naoyuki、Hotta Natsuki、Kotaka Atsushi、Toyokawa Yoichi、Ishida Hiroki、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: FEMS Yeast Research 巻: 23
  • DOI: 10.1093/femsyr/foad012
  • 査読あり
• [雑誌論文] Large-scale screening of yeast strains that can utilize proline (2022)
  • 著者名/発表者名: Tanahashi Ryoya、Nishimura Akira、Nguyen Minh、Sitepu Irnayuli、Fox Glen、Boundy-Mills Kyria、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 87 号: 3 ページ: 358-362
  • DOI: 10.1093/bbb/zbac202
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Arginine inhibits Saccharomyces cerevisiae biofilm formation by inducing endocytosis of the arginine transporter Can1 (2022)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Nakagami Kazuki、Kan Kyoyuki、Morita Fumika、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 86 号: 9 ページ: 1300-1307
  • DOI: 10.1093/bbb/zbac094
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Cdc25/Ras/cAMP-dependent protein kinase A signaling pathway regulates proline utilization in wine yeast Saccharomyces cerevisiae under a wine fermentation model (2022)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Ichikawa Kazuki、Nakazawa Hayate、Tanahashi Ryoya、Morita Fumika、Sitepu Irnayuli、Boundy-Mills Kyria、Fox Glen、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: 86 号: 9 ページ: 1318-1326
  • DOI: 10.1093/bbb/zbac100
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] GRIM-19 is a target of mycobacterial Zn2+ metalloprotease 1 and indispensable for NLRP3 inflammasome activation. (2022)
  • 著者名/発表者名: Kurane, T., Matsunaga, T., Ida, T., Sawada, K., Nishimura, A., Fukui, M., Umemura, M., Nakayama, M., Ohara, N., Matsumoto, S., Akaike, T., Matsuzaki, G., Takaesu, G.
  • 雑誌名: FASEB Journal 巻: 36 号: 1
  • DOI: 10.1096/fj.202101074rr
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] High-Level Production of Isoleucine and Fusel Alcohol by Expression of the Feedback Inhibition-Insensitive Threonine Deaminase in Saccharomyces cerevisiae (2022)
  • 著者名/発表者名: Isogai Shota、Nishimura Akira、Kotaka Atsushi、Murakami Naoyuki、Hotta Natsuki、Ishida Hiroki、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Applied and Environmental Microbiology 巻: 88 号: 5
  • DOI: 10.1128/aem.02130-21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Longevity regulation by proline oxidation in yeast (2021)
  • 著者名/発表者名: Akira Nishimura , Yuki Yoshikawa, Kazuki Ichikawa, Tetsuma Takemoto, Ryoya Tanahashi, Hiroshi Takagi
  • 雑誌名: Microorganisms 巻: 9 号: 8 ページ: 1650-1650
  • DOI: 10.3390/microorganisms9081650
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Role of Gln79 in feedback inhibition of the yeast γ-glutamyl kinase by proline (2021)
  • 著者名/発表者名: Akira Nishimura, Yurie Takasaki, Shota Isogai, Yoichi Toyokawa, Ryoya Tanahashi, Hiroshi Takagi
  • 雑誌名: Microorganisms 巻: 9 号: 9 ページ: 1902-1902
  • DOI: 10.3390/microorganisms9091902
  • NAID: 120007175577
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Isolation and analysis of a sake yeast mutant with phenylalanine accumulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Isogai Shota、Murakami Naoyuki、Hotta Natsuki、Kotaka Atsushi、Matsumura Kengo、Hata Yoji、Ishida Hiroki、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 巻: 49 号: 3
  • DOI: 10.1093/jimb/kuab085
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 酵母におけるプロリン資化抑制機構の解明 -プロリンを含まないワイン・ビール製造への挑戦-. (2024)
  • 著者名/発表者名: 西村 明, 高木 博史
  • 学会等名: 日本農芸化学会
  • 招待講演
• [学会発表] 出芽酵母のアミノ酸代謝による細胞寿命制御 (2024)
  • 著者名/発表者名: 西村 明
  • 学会等名: 発酵懇話会
  • 招待講演
• [学会発表] プロリンを含まないワインやビールづくりへの挑戦 -野生酵母コレクションを活用したプロリン資化性酵母の探索- (2023)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、棚橋 亮弥、高木 博史
  • 学会等名: 農芸化学会2023年度大会
  • 招待講演
• [学会発表] アルギニントランスセプターCan1を介したプロリン資化抑制機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、高木 博史
  • 学会等名: 第95回日本生化学会大会
• [学会発表] The arginine transporter Can1 regulates proline uptake as a transceptor in Saccharomyces cerevisiae (2022)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、高木 博史
  • 学会等名: 若手研究者ネットワーク開拓ワークショップ
  • 国際学会
• [学会発表] 出芽酵母のプロリン代謝による細胞寿命制御と生理的役割 (2022)
  • 著者名/発表者名: 西村 明, 高木博史
  • 学会等名: 農芸化学会2022年度大会
• [学会発表] 母における超硫黄分子の生理的意義－寿命制御と小胞体の恒常性維持－ (2022)
  • 著者名/発表者名: 西村明, 高木博史, 赤池孝章
  • 学会等名: 第95回日本細菌学会総会
• [備考] リサーチマップ
  • URL: https://researchmap.jp/akira_nishimura/presentations