人工生合成マシナリーの合理的再構築による次世代天然物化学

2016 年度 実績報告書

• 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: 16H06443
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 阿部 郁朗 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 教授 (40305496)
• 研究期間 (年度): 2016-06-30 – 2021-03-31
• キーワード: 生合成リデザイン / 合成生物学 / 生合成工学 / 天然物化学 / 生物分子科学

研究実績の概要

糸状菌由来メロテルペノイド等など、複雑骨格天然物の生合成をとりあげる。メロテルペノイドの生合成は、比較的短工程で複雑な分子骨格を構築する点が特徴的であり、これは多段階の劇的な骨格変換反応を触媒する多機能型酸化酵素等の存在によるところが大きい。本研究では、人為的な機能制御と分子多様性創出の格好の材料ともいえる、これら特異な反応を触媒する修飾酵素について、Ｘ線結晶構造解析などにより、酵素反応の立体構造基盤を解明し、さらに立体構造情報に基づき酵素機能を合理的な改変をめざした。
酵素の結晶構造解析と構造機能相関の解明。まず申請者の研究室でその生合成遺伝子クラスターを取得し、物質生産系の構築に成功した、Penicillium brasilianum由来パラヘルクオニンやAspergillus nidulans 由来オーシノールの生合成において、多段階の劇的な骨格変換反応を触媒し、その構造複雑化に決定的な役割を演じる、多機能型非ヘム鉄要求性ジオキシゲナーゼPrhAと AusEについて、X線結晶構造解析を行い、酵素反応の立体構造基盤を明らかにした。両酵素はアミノ酸レベルで互いに高い配列相同性（80%）を示すものの、共通の基質から全く異なった骨格変換反応を触媒することから、その構造機能相関に興味がもたれた。両酵素の基質特異性を精査、精密機能解析を行い、性状の違いを明らかにした。また、関連酵素との構造の比較、部位特異的変異等により活性部位を構成するアミノ酸残基を特定し、酵素の構造機能相関の解明に成功した。メロテルペノイド構造複雑化に重要な役割を演じる他の一連の酸素添加酵素、修飾酵素等についても、同様に、酵素の精密機能解析と結晶構造解析を進めている。
その他、糸状菌由来セスタテルペン、放線菌由来ポリエン、インドールアルカロイドなど複雑骨格天然物の生合成マシナリーの構造機能解析、生合成リデザインにも成功した。

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

ほぼ計画通りに研究成果を挙げることができている。

今後の研究の推進方策

昨年度に引き続き、酵素の結晶構造解析と構造機能相関の解明に取り組む。まず申請者の研究室でその生合成遺伝子クラスターを取得し、物質生産系の構築に成功した、Penicillium brasilianum由来パラヘルクオニンやAspergillus nidulans 由来オーシノールの生合成において、多段階の劇的な骨格変換反応を触媒し、その構造複雑化に決定的な役割を演じる、多機能型非ヘム鉄要求性ジオキシゲナーゼPrhAと AusEについて、X線結晶構造解析を行い、酵素反応の立体構造基盤を明らかにする。メロテルペノイド構造複雑化に重要な役割を演じる他の一連の酸素添加酵素、修飾酵素等についても、同様に、酵素の精密機能解析と結晶構造解析を進め、酵素反応の立体構造基盤を明らかにする。
その他、糸状菌由来セスタテルペン、放線菌由来ポリエン、インドールアルカロイドなど複雑骨格天然物の生合成マシナリーの構造機能解析を勧める。これら新奇な反応を触媒する酵素（生体触媒）の立体構造基盤の解明は、有機化学的にもきわめて興味深く、新たな触媒概念の確立、生体触媒の創製などにも道を拓く。

研究成果

• [雑誌論文] Characterization of giant modular PKSs provides insight into genetic mechanism for structural diversification of aminopolyol polyketides (2017)
  • 著者名/発表者名: Zhang, L., Hashimoto, T., Qin, B., Hashimoto, J., Kozone, I., Kawahara, T., Okada, M., Awakawa, T., Ito, T., Asakawa, Y., Ueki, M., Takahashi, S., Osada, H., Wakimoto, T., Ikeda, H., Shin-ya, K., Abe, I.
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 56 ページ: 1740-1745
  • DOI: 10.1002/anie.201611371
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Discovery of key dioxygenases that diverged the paraherquonin and acetoxydehydroaustin pathways in Penicillium brasilianum (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsuda, Y., Iwabuchi,T., Fujimoto, T., Awakawa,T., Nakashima, Y., Mori, T., Zhang, H., Hayashi, F., Abe, I.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 138 ページ: 12671-12677
  • DOI: 10.1021/jacs.6b08424
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Genome-based discovery of an unprecedented cyclization mode in fungal sesterterpenoids biosynthesis (2016)
  • 著者名/発表者名: Okada, M., Matsuda, Y., Mitsuhashi, T., Hoshino, S., Mori, T., Nakagawa, K., Quan, Z., Qin, B., Zhang, H., Hayashi, F., Kawaide, H., Abe, I.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 138 ページ: 10011-10018
  • DOI: 10.1021/jacs.6b05799
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Astellifadiene, a unique tetracyclic fungal sesterterpene: structure determination by an NMR-coupled crystalline sponge method and elucidation of its biosynthesis (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsuda, Y., Mitsuhashi,T., Lee, S., Hoshino, M., Mori, T., Okada, M., Zhang, H., Hayashi, F., Fujita, M., Abe, I.
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 55 ページ: 5785-5788
  • DOI: 10.1002/anie.201601448
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] An unusual chimeric diterpene synthase from Emericella variecolor and its functional conversion to a sesterterpene synthase by domain swapping (2016)
  • 著者名/発表者名: Qin, B., Matsuda, Y., Mori, T., Okada, M., Quan, Z., Mitsuhashi, T., Wakimoto, T., Abe, I.
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 55 ページ: 1658-1661
  • DOI: 10.1002/anie.201509263
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Manipulation of prenylation reactions by structure-based engineering of bacterial indolactam prenyltransferases (2016)
  • 著者名/発表者名: Mori, T., Zhang, L., Awakawa, T., Hoshino, S., Okada, M., Morita, H., Abe, I.
  • 雑誌名: Nature Commun. 巻: 7 ページ: 10849
  • DOI: 10.1038/ncomms10849
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Structural insight into the enzymatic formation of bacterial stilbene (2016)
  • 著者名/発表者名: Mori, T., Awakawa, T., Shimomura, K., Saito, Y., Yang, D., Morita, H., Abe, I.
  • 雑誌名: Cell Chem. Biol. 巻: 23 ページ: 1468-1479
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.chembiol.2016.10.010
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Biosynthesis of fungal meroterpenoids (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsuda, Y., Abe, I.
  • 雑誌名: Nat. Prod. Rep. 巻: 33 ページ: 26-53
  • DOI: 10.1039/C5NP00090D
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nature's way of making the sponge-derived cytotoxin (2016)
  • 著者名/発表者名: Wakimoto, T., Egami, Y., Abe, I.
  • 雑誌名: Nat. Prod. Rep. 巻: 33 ページ: 751-760
  • DOI: 10.1039/C5NP00123D
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Unusual chemistries in fungal meroterpenoid biosynthesis (2016)
  • 著者名/発表者名: Matsuda, Y., Awakawa, T., Mori, T., Abe, I.
  • 雑誌名: Curr. Opin. Chem. Biol. 巻: 31 ページ: 1-7
  • DOI: http://doi.org/10.1016/j.cbpa.2015.11.001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Redesigning Complex Natural Products Biosynthesis (2017)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: PSJ-AAPS Joint Symposium, Creation of Complex Functional Molecules by Rational Redesign of Biosynthetic Machineries
  • 発表場所: 仙台国際センター（宮城県・仙台市）
  • 年月日: 2017-03-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 複雑骨格天然物の生合成マシナリーの解明と再設計 (2017)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: 日本農芸化学会2017年度京都大会シンポジウム、農芸化学から発信する次世代型天然物化学2017
  • 発表場所: 京都女子大（京都府・京都市）
  • 年月日: 2017-03-18
  • 招待講演
• [学会発表] Engineered Biosynthesis of Medicinal Natural Products (2017)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: The 2nd International Conference on Herbal and Traditional Medicine (HTM2017)
  • 発表場所: Bangkok (Thailand)
  • 年月日: 2017-01-25
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Biosynthesis of Fungal Meroterpenoids (2016)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: Czech-Japan Joint Workshop, Innovative Technologies for the Discovery of Natural Products
  • 発表場所: Prague (Czech Republic)
  • 年月日: 2016-11-09
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Engineered Biosynthesis of Medicinal Natural Products (2016)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: 2016 Mogan Mountain International Summit on Green Pharmaceuticals
  • 発表場所: Hangzhou (China)
  • 年月日: 2016-11-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Biosynthesis of Fungal Meroterpenoids (2016)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: 13th International Symposium on the Genetics of Industrial Microorganisms (GIM2016)
  • 発表場所: Wuhan (China)
  • 年月日: 2016-10-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Multifunctional Oxygenases Involved in Complex Natural Products Biosynthesis (2016)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: Cytochrome P450 Biodiversity & Biotechnology 2016
  • 発表場所: Vancouver (Canada)
  • 年月日: 2016-07-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 東京大学大学院薬学系研究科天然物化学教室
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~tennen/head.htm