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

2017 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。昨年に引き続き、パラヘルクオニンや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解明、さらに、結晶構造に基づき、合理的な酵素機能の改変と生合成リデザインに成功した。結果を印刷公表した。加えて、メロテルペノイド構造複雑化に重要な役割を演じる酸素添加酵素、プレニル転移酵素、新規異性化酵素など、一連の修飾酵素についても、同様に、酵素の精密機能解析と結晶構造解析に成功した。
さらに、これらに加えて、糸状菌由来セスタテルペン、インドールアルカロイドなど、関連する一連の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、研究成果を印刷公表した。

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

今年度も引き続き、複雑骨格の生合成酵素の結晶構造解析と構造機能相関の解明に取り組む。メロテルペノイドの生合成において、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について、さらに類縁酵素の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と構造機能相関を明らかにする。
その他、セスタテルペン、ポリケタイド、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進める。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

• [国際共同研究] ジナン大学/上海有機化学研究所/武漢大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: ジナン大学/上海有機化学研究所/武漢大学
• [国際共同研究] ピッツバーグ大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ピッツバーグ大学
• [国際共同研究] ボン大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ボン大学
• [雑誌論文] Structure function and engineering of multifunctional non-heme iron dependent oxygenases in fungal meroterpenoid biosynthesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakashima Yu、Mori Takahiro、Nakamura Hitomi、Awakawa Takayoshi、Hoshino Shotaro、Senda Miki、Senda Toshiya、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 ページ: 104
  • DOI: 10.1038/s41467-017-02371-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular insights into the Mg2+-dependent allosteric control of indole prenylation by aromatic prenyltransferase AmbP1 (2018)
  • 著者名/発表者名: Abe Ikuro、Awakawa Takayoshi、Mori Takahiro、Nakashima Yu、Zhai Rui、Wong Chin Piow、Hillwig Matthew、Liu Xinyu
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 57 ページ: in press
  • DOI: 10.1002/anie.201800855
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Biosynthetic pathway for furanosteroid demethoxyviridin and identification of an unusual pregnane side-chain cleavage (2018)
  • 著者名/発表者名: 2.Wang, G.-Q., Chen, G.-D., Qin, S.-Y., Hu, D., Awakawa, T., Li, S.-Y., Lv, J.-M., Wang, C.-X., Yao, X.-S., Abe, I., Gao, H.
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 9 ページ: in press
  • DOI: 10.1038/s41467-018-04298-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Unique chemistry of non-heme iron enzymes in fungal biosynthetic pathways (2018)
  • 著者名/発表者名: Nakamura Hitomi、Matsuda Yudai、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Nat Prod Rep 巻: 35 ページ: in press
  • DOI: 10.1039/C7NP00055C
  • 査読あり
• [雑誌論文] Chimeric Terpene Synthases Possessing both Terpene Cyclization and Prenyltransfer Activities (2018)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhashi Takaaki、Abe Ikuro
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 19 ページ: in press
  • DOI: 10.1002/cbic.201800120
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Tryptophan Prenyltransferase with Broad Substrate Tolerance from Bacillus subtilis subsp. natto (2018)
  • 著者名/発表者名: Abe Ikuro、Sugita Tomotoshi、Okada Masahiro、Nakashima Yu、Tian Tian
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 19 ページ: in press
  • DOI: 10.1002/cbic.201800174
  • 査読あり
• [雑誌論文] 酵素の立体構造を基盤にした新規生体触媒の開発 (2018)
  • 著者名/発表者名: 森貴裕, 阿部郁朗
  • 雑誌名: 化学 巻: 73 ページ: 32-36
• [雑誌論文] 多段階反応を触媒する酸化酵素のエンジニアリング (2018)
  • 著者名/発表者名: 中嶋優、阿部郁朗
  • 雑誌名: 現代化学 巻: - ページ: in press
• [雑誌論文] Two Distinct Substrate Binding Modes for the Normal and Reverse Prenylation of Hapalindoles by the Prenyltransferase AmbP3 (2017)
  • 著者名/発表者名: Wong Chin Piow、Awakawa Takayoshi、Nakashima Yu、Mori Takahiro、Zhu Qin、Liu Xinyu、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 57 ページ: 560～563
  • DOI: 10.1002/anie.201710682
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular basis for the unusual ring reconstruction in fungal meroterpenoid biogenesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Mori Takahiro、Iwabuchi Taiki、Hoshino Shotaro、Wang Hang、Matsuda Yudai、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Nature Chemical Biology 巻: 13 ページ: 1066～1073
  • DOI: 10.1038/nchembio.2443
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biosynthesis of helvolic acid and identification of an unusual C-4-demethylation process distinct from sterol biosynthesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Lv Jian-Ming、Hu Dan、Gao Hao、Kushiro Tetsuo、Awakawa Takayoshi、Chen Guo-Dong、Wang Chuan-Xi、Abe Ikuro、Yao Xin-Sheng
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 8 ページ: 1644
  • DOI: 10.1038/s41467-017-01813-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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 Lihan、Hashimoto Takuya、Qin Bin、Hashimoto Junko、Kozone Ikuko、Kawahara Teppei、Okada Masahiro、Awakawa Takayoshi、Ito Takuya、Asakawa Yoshinori、Ueki Masashi、Takahashi Shunji、Osada Hiroyuki、Wakimoto Toshiyuki、Ikeda Haruo、Shin-ya Kazuo、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 56 ページ: 1740～1745
  • DOI: 10.1002/anie.201611371
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanistic Characterization of Two Chimeric Sesterterpene Synthases from Penicillium (2017)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhashi Takaaki、Rinkel Jan、Okada Masahiro、Abe Ikuro、Dickschat Jeroen S.
  • 雑誌名: Chemistry - A European Journal 巻: 23 ページ: 10053～10057
  • DOI: 10.1002/chem.201702766
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Mycolic Acid Containing Bacterium Stimulates Tandem Cyclization of Polyene Macrolactam in a Lake Sediment Derived Rare Actinomycete (2017)
  • 著者名/発表者名: Hoshino Shotaro、Okada Masahiro、Awakawa Takayoshi、Asamizu Shumpei、Onaka Hiroyasu、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: 19 ページ: 4992～4995
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.7b02508
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of Chimeric αβγ Diterpene Synthases Possessing both Type?II Terpene Cyclase and Prenyltransferase Activities (2017)
  • 著者名/発表者名: Mitsuhashi Takaaki、Okada Masahiro、Abe Ikuro
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 18 ページ: 2104～2109
  • DOI: 10.1002/cbic.201700445
  • 査読あり
• [雑誌論文] Combinatorial Biosynthesis of (+)-Daurichromenic Acid and Its Halogenated Analogue (2017)
  • 著者名/発表者名: Okada Masahiro、Saito Kai、Wong Chin Piow、Li Chang、Wang Dongmei、Iijima Miu、Taura Futoshi、Kurosaki Fumiya、Awakawa Takayoshi、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: 19 ページ: 3183～3186
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.7b01288
  • 査読あり
• [雑誌論文] 2-Alkylquinolone alkaloid biosynthesis in the medicinal plantEvodia rutaecarpainvolves collaboration of two novel type III polyketide synthases (2017)
  • 著者名/発表者名: Matsui Takashi、Kodama Takeshi、Mori Takahiro、Tadakoshi Tetsuhiro、Noguchi Hiroshi、Abe Ikuro、Morita Hiroyuki
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 292 ページ: 9117～9135
  • DOI: 10.1074/jbc.M117.778977
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of Pyridinium with Three Indole Moieties as an Antimicrobial Agent (2017)
  • 著者名/発表者名: Okada Masahiro、Sugita Tomotoshi、Wong Chin Piow、Wakimoto Toshiyuki、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Journal of Natural Products 巻: 80 ページ: 1205～1209
  • DOI: 10.1021/acs.jnatprod.6b01152
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification and Characterization of Daurichromenic Acid Synthase Active in Anti-HIV Biosynthesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Iijima Miu、Munakata Ryosuke、Takahashi Hironobu、Kenmoku Hiromichi、Nakagawa Ryuichi、Kodama Takeshi、Asakawa Yoshinori、Abe Ikuro、Yazaki Kazufumi、Kurosaki Fumiya、Taura Futoshi
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 174 ページ: 2213～2230
  • DOI: https://doi.org/10.1104/pp.17.00586
  • 査読あり
• [雑誌論文] 3,5-Dimethylorsellinic Acid Derived Meroterpenoids from Penicillium chrysogenum MT-12, an Endophytic Fungus Isolated from Huperzia serrata (2017)
  • 著者名/発表者名: Qi Bowen、Liu Xiao、Mo Ting、Zhu Zhixiang、Li Jun、Wang Juan、Shi Xiaoping、Zeng Kewu、Wang Xiaohui、Tu Pengfei、Abe Ikuro、Shi Shepo
  • 雑誌名: Journal of Natural Products 巻: 80 ページ: 2699～2707
  • DOI: 10.1021/acs.jnatprod.7b00438
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Engineered Biosynthesis of Medicinal Natural Products (2018)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: 34th International Conference on Natural Products 2018 (ICNP 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unusual Enzyme Reactions in Fungal Meroterpenoid Biosynthesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: 8th CMDD Symposium on Marine Natural Products
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unusual Enzyme Reactions in Fungal Meroterpenoid Biosynthesis (2018)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: The Society for Industrial Microbiology (SIMB), “2nd International Conference on Natural Product Discovery and Development in the Genomic Era”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Engineered Biosynthesis of Medicinal Natural Products (2018)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: 2018 Synthetic Biotechnology Training Course, Beijing
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 薬用天然物の生合成リデザイン (2017)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: 理研シンポジウム、高磁場・高感度NMR利活用促進のための天然物分野における日中連携シンポジウム2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 放線菌由来生物活性二次代謝産物の生合成研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: 公益財団法人日本感染症医薬品協会、メディカルサイエンス・セミナー、住木・梅澤記念賞受賞講演
  • 招待講演
• [学会発表] 複雑骨格薬用天然物の合成生物学 (2017)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: JST-ACCEL「革新的分子構造解析」公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Molecular Basis for the Unusual Ring Reconstruction in Fungal Meroterpenoid Biogenesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: 3rd Sino-Italian Symposium on Bioactive Natural Products & 1st International Forum for Drug Discovery Chemistry
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unusual Enzyme Reactions in Fungal Meroterpenoid Biosynthesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: 1st China-Japan Joint Symposium on Natural Product Biosynthesis
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 薬用天然物の生合成工学に関する研究 (2017)
  • 著者名/発表者名: 阿部郁朗
  • 学会等名: 日本生薬学会 第64回年会、生薬学会賞受賞講演
  • 招待講演
• [学会発表] Engineered Biosynthesis of Fungal Meroterpenoids (2017)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: The American Society of Pharmacognosy Annual Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Structure-guided Engineered Biosynthesis of Fungal Meroterpenoid (2017)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: 13th International Meeting on Biosynthesis, Function and Synthetic Biology of Isoprenoids (TERPNET 2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Enzymes Involved in the Complex Natural Products Biosynthesis (2017)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: 9th US-Japan Seminar on Natural Product Biosynthesis, UCLA Lake Arrowhead Conference Center
  • 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