生合成工学と輸送工学を統合したプレニル化ポリフェノールの生合成リデザイン

• 研究領域: 生物合成系の再設計による複雑骨格機能分子の革新的創成科学
• 研究課題/領域番号: 19H04654
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 矢崎 一史 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (00191099)
• 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: 7,670千円 (直接経費: 5,900千円、間接経費: 1,770千円); 2020年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2019年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)
• キーワード: 合成生物学 / メロテルペン / プレニル基転移酵素 / フェニルプロパノイド / 輸送工学 / バイオテクノロジー / 生合成 / 代謝工学 / ポリフェノール

研究開始時の研究の概要

植物のプレニル化フェノールであるアルテピリン Cは、抗腫瘍、抗酸化、抗菌活性、脂肪燃焼促進作用など有用な生理活性を持ち、機能性食品や抗メタボリックシンドロームに向けたサプリメント等として極めて有望である。しかし一方で、植物におけるその含量は一般に低いため、高効率の生産系の確立には大きなニーズがある。
本研究では、薬用植物のカワラヨモギから単離したプレニル化酵素遺伝子AcPT1をはじめ、複数の植物遺伝子を用いて、酵母細胞内に植物の代謝系を再構築し、さらに輸送体遺伝子を活用することで細胞内基質の供給や生産物の蓄積を制御し、アルテピリン C の生産に向けた高度な生合成のリデザインを行う。

研究実績の概要

植物のプレニル化フェノール類は、抗腫瘍、抗酸化、抗菌活性、脂肪燃焼促進作用など多様な生理活性を持ち、機能性食品や医薬品原料等として極めて有望である。一方、天然における含量は一般に低く、単離もコスト高となることから、高効率の生産系の確率は基礎研究分野のみならず、産業界においても高いニーズがある。本研究では、植物由来のユニークなジプレニル化酵素AcPT1と、PAL／C4H／4CLの３遺伝子を用いた基質のp-クマル酸の細胞内供給を行う生合成デザインにより、ブラジル産キク科低木の Baccharis の生理活性成分 artepillin Cの生産を目指した。遺伝子源は国産のカワラヨモギとし、膜蛋白質のAcPT1を発現させるホストは出芽酵母とした。
これまでに、AcPT1の改変やプレニル基質供給を補強などのリデザインを行い、培地１リッターあたり 113 μmol（33.9 mg/L medium）の artepillin C 生産を達成した。これによりブラジル産植物からしか得ることができなかった artepillin C を、国内の遺伝資源を用いて供給する基礎を築いた。
しかし、細胞内で合成させた基質の p-クマル酸が、ほぼ全量培地中に分泌されてしまうことから、モノプレニル体であるdrupaninとジプレニル体の artepillin Cの局在を調べた。その結果、細胞側にdrupaninは20%、artepillin Cは90%局在していることが明らかとなった。そこで、artepillin Cの細胞外放出を促進するため、カワラヨモギのlipid transfer protein (LTP) をRNA-seq から13種同定し、うち発現の高かった４種を上記生合成酵素群と酵母で共発現させた。しかしartepillin C生産に対してポジティブな影響を与えた分子種は残念ながら見出せなかった。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Lorraine/INRAE/Laboratory of Agronomy and Environment(フランス)
• [国際共同研究] University of Lorraine/INRA(フランス)
• [雑誌論文] Parallel evolution of UbiA superfamily proteins into aromatic O-prenyltransferases in plants (2021)
  • 著者名/発表者名: Munakata, R., Olry, A., Takemura, T., Tatsumi, K., Ichino, T., Villard, C., Kageyama, J., Kurata, T., Nakayasu, M., Jacob, F., Koeduka, T., Yamamoto, H., Moriyoshi, E., Matsukawa, T., Grosjean, J., Krieger, C., Sugiyama, A., Mizutani, M., Bourgaud, F., Hehn, A., Yazaki, K.
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 118 号: 17
  • DOI: 10.1073/pnas.2022294118
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Highly efficient method of <i>Lithospermum erythrorhizon</i> transformation using domestic <i>Rhizobium rhizogenes</i> strain A13 (2020)
  • 著者名/発表者名: Kanade Tatsumi, Takuji Ichino, Noboru Onishi, Koichiro Shimomura, Kazufumi Yazaki
  • 雑誌名: Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巻: 37 号: 1 ページ: 39-46
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.19.1212a
  • NAID: 130007822563
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • 年月日: 2020-03-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Alcohol Dehydrogenase Activity Converts 3″-Hydroxy-geranylhydroquinone to an Aldehyde Intermediate for Shikonin and Benzoquinone Derivatives in Lithospermum erythrorhizon (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Hirobumi、Tsukahara Mika、Yamano Yumiko、Wada Akimori、Yazaki Kazufumi
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 61 号: 10 ページ: 1798-1806
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa108
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Apple latent spherical virus (ALSV)-induced gene silencing in a medicinal plant Lithospermum erythrorhizon (2020)
  • 著者名/発表者名: Izuishi Yuki, Isaka Natsumi, Li Hao, Nakanishi Kohei, Kageyama Joji, Ishikawa Kazuya, Shimada Tomoo, Masuta Chikara, Yoshikawa Nobuyuki, Kusano Hiroaki, Yazaki Kazufumi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 13555-13555
  • DOI: 10.1038/s41598-020-70469-1
  • NAID: 120007175169
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Two BAHD Acyltransferases Catalyze the Last Step in the Shikonin/Alkannin Biosynthetic Pathway (2020)
  • 著者名/発表者名: Haruka Oshikiri, Bunta Watanabe, Hirobumi Yamamoto, Kazufumi Yazaki, Kojiro Takanashi
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 184 号: 2 ページ: 753-761
  • DOI: 10.1104/pp.20.00207
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Cytosol-Localized Geranyl Diphosphate Synthase from Lithospermum erythrorhizon and Its Molecular Evolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Ueoka Hayato、Sasaki Kanako、Miyawaki Tatsuya、Ichino Takuji、Tatsumi Kanade、Suzuki Shiro、Yamamoto Hirobumi、Sakurai Nozomu、Suzuki Hideyuki、Shibata Daisuke、Yazaki Kazufumi
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 182 号: 4 ページ: 1933-1945
  • DOI: 10.1104/pp.19.00999
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] プロポリスの生理活性物質アルテピリンCの酵母内再構築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 棟方涼介、矢崎一史
  • 雑誌名: バイオサイエンスとインダストリー 巻: 78
  • 査読あり
• [雑誌論文] Isolation of Artemisia capillaris membrane-bound di-prenyltransferase for phenylpropanoids and redesign of artepillin C in yeast (2019)
  • 著者名/発表者名: Munakata Ryosuke、Takemura Tomoya、Tatsumi Kanade、Moriyoshi Eiko、Yanagihara Koki、Sugiyama Akifumi、Suzuki Hideyuki、Seki Hikaru、Muranaka Toshiya、Kawano Noriaki、Yoshimatsu Kayo、Kawahara Nobuo、Yamaura Takao、Grosjean Jeremy、Bourgaud Frederic、Hehn Alain、Yazaki Kazufumi
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 2 号: 1 ページ: 384-384
  • DOI: 10.1038/s42003-019-0630-0
  • NAID: 120006733113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Convergent evolution of the UbiA prenyltransferase family underlies the independent acquisition of furanocoumarins in plants (2019)
  • 著者名/発表者名: Munakata Ryosuke、Kitajima Sakihito、Nuttens Andreina、Tatsumi Kanade、Takemura Tomoya、Ichino Takuji、Galati Gianni、Vautrin Sonia、Berges Helene、Grosjean Jeremy、Bourgaud Frederic、Sugiyama Akifumi、Hehn Alain、Yazaki Kazufumi
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 225 号: 5 ページ: 2166-2182
  • DOI: 10.1111/nph.16277
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Evolutionary Developments in Plant Specialized Metabolism, Exemplified by Two Transferase Families (2019)
  • 著者名/発表者名: Kusano Hiroaki、Li Hao、Minami Hiroshi、Kato Yoshihiro、Tabata Homare、Yazaki Kazufumi
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 10 ページ: 794-794
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.00794
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Proton Gradient-Dependent Transport of p-Glucocoumaryl Alcohol in Differentiating Xylem of Woody Plants (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsuyama Taku、Matsushita Yasuyuki、Fukushima Kazuhiko、Takabe Keiji、Yazaki Kazufumi、Kamei Ichiro
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 号: 1 ページ: 8900-8900
  • DOI: 10.1038/s41598-019-45394-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamism of vacuoles toward survival strategy in plants (2019)
  • 著者名/発表者名: Shitan Nobukazu、Yazaki Kazufumi
  • 雑誌名: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes 巻: 15 号: 12 ページ: 183127-183127
  • DOI: 10.1016/j.bbamem.2019.183127
  • 査読あり
• [学会発表] 植物における代謝産物の蓄積機構の制御技術の開発 (2020)
  • 著者名/発表者名: 矢崎一史
  • 学会等名: BioJapan 2020
  • 招待講演
• [学会発表] 脂溶性二次代謝産物シコニンの細胞外蓄積に関与する分泌脂質分子の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 巽 奏、市野琢爾、岡咲洋三、東泰弘、梶川昌孝、福澤秀哉、豊岡公徳、佐藤繭子、市育代、斉藤和季、矢崎一史
  • 学会等名: 第61回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 植物フェノール類プレニル化酵素の位置特異性を担う触媒機構の解明に向けて (2020)
  • 著者名/発表者名: 棟方 涼介、高橋 宏暢、肥塚 崇男、Alain HEHN、矢﨑 一史
  • 学会等名: 第30回イソプレノイド研究会
• [学会発表] 生合成工学と輸送工学を統合したプレニル化ポリフェノールの生合成リデザイン (2019)
  • 著者名/発表者名: 矢崎一史
  • 学会等名: 新学術領域研究 生物合成系の再設計による複雑骨格機能分子の革新的創成科学、第６回公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 植物の脂溶性テルペン化合物の細胞外分泌 (2019)
  • 著者名/発表者名: 矢崎一史
  • 学会等名: 第２回天然ゴム研究会／理研シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 植物の鉄要求性を支える膜輸送体とその生理機能 (2019)
  • 著者名/発表者名: 矢崎一史
  • 学会等名: 第43回日本鉄バイオサイエンス学会学術集会
  • 招待講演
• [学会発表] 物質集積メカニズムの制御による高次物質生産技術 －植物における代謝産物の蓄積機構の制御技術の開発－ (2019)
  • 著者名/発表者名: 矢崎一史
  • 学会等名: BioJapan 2019 NEDOセミナー
  • 招待講演
• [備考] アルテピリンC合成酵素の発見とその生産 －雑草の遺伝子から生理活性物質の生産へ－
  • URL: http://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research/research_results/2019/191018_2.html