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非タンパク性アミノ酸を創出する微生物酵素の巧みな触媒機構の探究

研究課題

研究課題/領域番号 22K05412
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38020:応用微生物学関連
研究機関福井県立大学

研究代表者

丸山 千登勢  福井県立大学, 生物資源学部, 准教授 (20452120)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
キーワード二次代謝 / 非タンパク性アミノ酸 / 生合成
研究開始時の研究の概要

ペプチド系化合物は、有用な生理活性を示すだけでなく、その化学構造に産業上重要な非タンパク性アミノ酸(NPAA)を含むことも特徴のひとつである。放線菌は、有機合成が難しいNPAAを驚くほど巧みに創り出している。NPAAは、医薬品の合成中間体原料として重要であり、またNPAAを生合成する酵素は、臨床診断用酵素としても応用利用が期待できる。本研究課題では、放線菌が生産するNPAA含有ペプチド系化合物について、その生合成機構を解明し、これら生合成酵素を臨床診断用酵素として利用するための基盤技術を確立する。

研究実績の概要

ペプチド系化合物は、有用な生理活性を示すだけでなく、その化学構造に産業上重要な非タンパク性アミノ酸(NPAA)を含むことも特徴の一つである。放線菌は、有機合成が難しいNPAAを驚くほど巧みに創り出している。その生合成機構を解明することは、「産業上の重要性」だけでなく、酵素反応機構を解き明かす生合成研究の醍醐味でもある。放線菌が生産する抗生物質resormycin(RM)は、特徴的な3つのNPAAから成るトリペプチド化合物である。これらのNPAAは、医薬品の合成中間体原料として重要であり、またNAPPを生合成する酵素は、臨床診断用酵素としても応用利用が期待できる。
さらにNPAAの最大の魅力は、その化学構造と物性に起因するユニークな生理活性であり、また合成化学における重要な中間原料としての役割も大きい。NPAAを活用したペプチド創薬は、構造多様性を与えるだけでなく、プロテアーゼによる分解を阻害するなどの知見から、今後さらにNPAAの需要が拡大すると考えられる。またNPAA生合成酵素は、基質アミノ酸に特異的な反応を触媒することから、様々な疾病に起因する血中アミノ酸濃度変化を迅速測定するための臨床検査への応用が期待される。そこで申請者らは、NPAAの新たな探索資源および臨床上有用なアミノ酸修飾酵素の探索資源として、微生物が生産するペプチド系二次代謝産物の多様性に着目した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

昨年度までの研究成果から、RM構造内のPhe誘導体における2箇所の水酸化は、Pheを基質として、Phe-4-水酸化酵素に相同性を示すOrf8が触媒することを明らかにした。そこで次に、Valの水酸化に関わる酵素遺伝子を探索し、2つのMBL fold metallo-hydrolaseに相同性を示す酵素遺伝子、orf7とorf16に着目した。高い相同性を示すこの2つの酵素がどのような役割を担いわけているのか、非常に興味が持たれた。そこで、これらについて遺伝子破壊実験を行い、生合成中間体の検出を試みた。
またRMが有するもう一つのNPAAであるβ-hLysの生合成については、昨年までに生合成に関与することを明らかにした7つの酵素遺伝子について解析を進めた。その結果、出発物質であるArgが脱アミノ化され、オキソ酸へと変換されたのち、クエン酸生合成酵素のホモログ酵素群の触媒により炭素鎖伸長される新規生合成経路を明らかにした。

今後の研究の推進方策

クエン酸生合成酵素のホモログ酵素群の解析において、一部の酵素は組換え酵素を用いたin vitro反応が可能であり、β-hLysの生合成中間体の同定に成功したが、遺伝子破壊実験においては生合成中間体を検出することができなかった。その理由として、生合成中間体が菌体から放出されない可能性が考えられた。また、生合成経路の全貌解明には、7種類全ての組換え酵素が必要であると考えられるが、そのいくつかは活性型酵素を得ることができなかった。そこで今後の研究では、関連する酵素遺伝子のin vivo発現系を構築し、微生物変換法による解明を試みる。しかしながら、先にも記載した通り、生合成中間体の今体以外排出が困難な可能性も考えられることから、反応生成物の解析には検討が必要と考えている。

報告書

(2件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 研究成果

    (21件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 2件、 招待講演 2件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] 台湾/Academia Sinica(その他の国・地域)

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Separation of an ε-poly-l-lysine derivative by solvent extraction under a controlled interfacial potential difference2023

    • 著者名/発表者名
      Katano Hajime、Maruyama Mami、Uematsu Kohei、Maruyama Chitose、Hamano Yoshimitsu
    • 雑誌名

      Analytical Sciences

      巻: 40 号: 1 ページ: 47-52

    • DOI

      10.1007/s44211-023-00428-z

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Phase transfer mechanisms of fluorophore-labeled cell-penetrating peptide ε-poly-l-α-lysine at liquid|liquid interfaces2023

    • 著者名/発表者名
      Sakae Hiroki、Takeuchi Yamato、Maruyama Chitose、Hamano Yoshimitsu、Nagatani Hirohisa
    • 雑誌名

      Electrochimica Acta

      巻: 462 ページ: 142769-142769

    • DOI

      10.1016/j.electacta.2023.142769

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Peptide epimerase-dehydratase complex responsible for biosynthesis of the linaridin class ribosomal peptides2023

    • 著者名/発表者名
      Xiao Wanlu、Tsunoda Takeshi、Maruyama Chitose、Hamano Yoshimitsu、Ogasawara Yasushi、Dairi Tohru
    • 雑誌名

      Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry

      巻: 87 号: 11 ページ: 1316-1322

    • DOI

      10.1093/bbb/zbad106

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Constitutive and high gene expression in the diaminopimelate pathway accelerates ε-poly-l-lysine production in Streptomyces albulus2023

    • 著者名/発表者名
      Hasebe Fumihito、Adachi Kazuya、Yamanaka Kazuya、Oikawa Tadao、Maruyama Chitose、Hamano Yoshimitsu
    • 雑誌名

      The Journal of Antibiotics

      巻: 76 号: 9 ページ: 522-531

    • DOI

      10.1038/s41429-023-00636-9

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] N-Formimidoylation/-iminoacetylation modification in aminoglycosides requires FAD-dependent and ligand-protein NOS bridge dual chemistry2023

    • 著者名/発表者名
      Wang Yung-Lin、Chang Chin-Yuan、Hsu Ning-Shian、Lo I-Wen、Lin Kuan-Hung、Chen Chun-Liang、Chang Chi-Fon、Wang Zhe-Chong、Ogasawara Yasushi、Dairi Tohru、Maruyama Chitose、Hamano Yoshimitsu、Li Tsung-Lin
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 14 号: 1 ページ: 2528-2528

    • DOI

      10.1038/s41467-023-38218-w

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Mechanism of S-Adenosyl-L-methionine C-Methylation by Cobalamin-dependent Radical S-Adenosyl-L-methionine Methylase in 1-Amino-2-methylcyclopropanecarboxylic Acid Biosynthesis2022

    • 著者名/発表者名
      Kudo Fumitaka、Minato Atsushi、Sato Shusuke、Nagano Nayuta、Maruyama Chitose、Hamano Yoshimitsu、Hashimoto Junko、Kozone Ikuko、Shin-ya Kazuo、Eguchi Tadashi
    • 雑誌名

      Organic Letters

      巻: 24 号: 49 ページ: 8975-8979

    • DOI

      10.1021/acs.orglett.2c03555

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Cytotoxicities of membrane-impermeable polar peptides modified with a polycationic isopeptide entering cells (PIECE)2023

    • 著者名/発表者名
      K. Kaneda, K. Suzuki, T. Ogura, F. Hasebe, C. Maruyama, Y. Hamano
    • 学会等名
      第60回ペプチド討論会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 抗生物質resormycinが有するβ-homolysineの生合成機構の解明2023

    • 著者名/発表者名
      今堀千咲, 山中一也, 小笠原泰志, 五十嵐雅之, 大利徹, 長谷部文人, 濱野吉十, 丸山千登勢
    • 学会等名
      日本放線菌学会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 3.生体膜模倣界面における蛍光標識化ε-ポリ-L-リジンの膜透過機構の分光電気化学解析2023

    • 著者名/発表者名
      坂江広基, 武内大和, 大塚早葉, 丸山千登勢, 濱野吉十, 西山嘉男, 永谷広久
    • 学会等名
      日本放線菌学会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Amide-bond forming enzymes found in the biosynthesis of streptothricin-related compounds2023

    • 著者名/発表者名
      C. Maruyama
    • 学会等名
      The 1st Taiwan-Japan Bilateral Symposium on Natural Products Biosynthesis
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Amide-bond forming enzymes found in the biosynthesis of streptothricin-related compounds2023

    • 著者名/発表者名
      C. Maruyama
    • 学会等名
      Japan-German Joint Symposium on Natural Product Biosynthesis
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Resormycin生合成酵素群より見出したphenylalanine水酸化酵素の機能解析2023

    • 著者名/発表者名
      岸千紘、小笠原泰志、山中一也、五十嵐雅之、大利徹、濱野吉十、丸山千登勢
    • 学会等名
      日本農芸化学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 抗生物質resormycinが有するβ-homolysineの生合成機構の解明2023

    • 著者名/発表者名
      今堀千咲、小笠原泰志、山中一也、五十嵐雅之、大利徹、濱野吉十、丸山千登勢
    • 学会等名
      日本農芸化学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] Resormycin生合成酵素群より見出したphenylalanine水酸化酵素の機能解析2022

    • 著者名/発表者名
      岸千紘、小笠原泰志、山中一也、五十嵐雅之、大利徹、濱野吉十、丸山千登勢
    • 学会等名
      日本放線菌学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 抗生物質resormycinが有するβ-homolysineの生合成機構の解明2022

    • 著者名/発表者名
      今堀千咲、小笠原泰志、山中一也、五十嵐雅之、大利徹、濱野吉十、丸山千登勢
    • 学会等名
      日本放線菌学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 抗生物質 resormycin 生合成遺伝子群の同定および機構解析2022

    • 著者名/発表者名
      大塚早葉, 山中一也, 五十嵐雅之, 濱野吉十, 丸山千登勢
    • 学会等名
      日本放線菌学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] streptothricin 類縁化合物 SF-2111B が有する O-acylpeptide 構造の生合成機構解明2022

    • 著者名/発表者名
      内山駿, 丸山千登勢, 橋本絢子, 隅田奈緒美, 米沢実, 新家一男, 濱野吉十
    • 学会等名
      日本放線菌学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 抗生物質resormycin生合成遺伝子群に見出したPhenylalanine水酸化酵素の機能解析2022

    • 著者名/発表者名
      岸千紘, 山中一也, 五十嵐雅之, 濱野吉十, 丸山千登勢
    • 学会等名
      日本農芸化学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 1-アミノ-2-メチルシクロプロパンカルボン酸生合成におけるメチル基転移酵素の機能解析2022

    • 著者名/発表者名
      湊敦志, 佐藤秀亮, 丸山千登勢, 濱野吉十, 工藤史貴, 江口正
    • 学会等名
      日本化学会第102春季年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] 福井県立大学 応用微生物学分野 研究室website

    • URL

      https://applied-microbiology-fpu.com

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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