複雑骨格天然物の生合成マシナリーの解明と物質生産

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H01836
• 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)
• 研究分担者: 岡田 正弘 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 准教授 (40377792) ; 淡川 孝義 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 助教 (80609834)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 生合成 / 遺伝子 / 酵素 / 反応機構 / 物質生産

研究実績の概要

複雑骨格天然物の生合成反応機構の解明と物質生産を目的とする。具体的には、最近申請者の研究室でその生合成遺伝子クラスターの取得に成功した、（放線菌が生産する強力なタンパクリン酸化酵素（PKC）活性化作用を示す発癌プロモーターのテレオシジンB、難培養性海綿共生菌が生産する強力なタンパク脱リン酸化酵素阻害剤であるカリクリンＡ、および、その他複雑骨格天然物をとりあげ、その生合成マシナリーの解明と物質生産系の構築をめざす。生合成の鍵となる段階を触媒する酵素については、X線結晶構造解析により、酵素反応の立体構造基盤を明らかにするとともに、結晶構造に基づく酵素触媒機能の拡張と最適化をめざす。また、これら遺伝子を異種発現系に再構成することにより、構造多様性の拡大と物質生産系の構築を実現する。
２８年度は、医薬品として重要な複雑骨格天然物である　ポリケタイドの合成酵素にも着手した。細菌のゲノム中より見出した巨大なポリケタイド合成酵素の異種発現により、既知のポリケタイドと似ているものの異なる構造を持つ新しいポリケタイドが生合成されることを発見した。そこで、自然界がどのように構造の違いを作り分けているかを、遺伝子を解析することにより調べた結果、構造の違いは遺伝子が組み変わることに起因していることを明らかにした。さらに、遺伝子中で組み換えが起きる領域や組み換えの規則についても部分的に解明することに成功した。ポリケタイド合成酵素は組み立てラインのような構造を取り、遺伝子の配列と得られる化合物の構造が対応するがことが特徴であり、今回の成果は組み立てラインのモジュールを自由自在に並べ変え、多様なポリケタイド化合物を作り出すことへの応用が期待される。
これ以外にも、メロテルペノイドやセスタテルペンなど、各種複雑骨格天然物の生合成マシナリーの詳細や酵素反応機構の立体構造基盤の解明にも成功した。

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

計画通りに順調に研究成果もでている。論文公表も進んでいる。

今後の研究の推進方策

本年度が最終年度、研究のとりまとめを行う。昨年に引き続き、テレオシジンBについては、非リボソーム型ペプチド合成酵素 TleAとP450酸化酵素TleBの構造機能解析を行う。L-tryptophanとL-valineから、９員環インドラクタムを構築する非リボソーム型ペプチド合成酵素TleAと、ペプチド鎖の酸化的環化を触媒する新奇なP450酸化酵素TleBについても同様に、大腸菌に異種発現した組み替え精製酵素を用いて、in vitro精密機能解析とX線結晶構造解析に着手する。シアノバクテリアLyngbya majusculaにおいてlyngbyatoxinの生合成に関わるホモログ酵素LtxA (NRPS) とLtxB (P450) については、既に大腸菌に異種発現した組み替え酵素のin vitro解析が報告されている。これを参考に、TleA (NRPS) についても、PCP-Rドメイン組み替え酵素などを構築して精密機能解析と結晶化を試みる。一方、酸化的環化によるインドール環のC-4位への環化反応を触媒するTleBについては、N-Me-L-Val-L-Trp-olのアナログ体なども基質として作用させ、基質および生成物特異性を精査する。両酵素とも、同様に、結晶構造に基づく改変型酵素を作出し、酵素触媒機能の拡張と最適化をはかる。その他、複雑骨格天然物生合成マシナリーについても、精密機能解析を行う。

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] 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] 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] 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/C5NP00090D
  • 査読あり / オープンアクセス / 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/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
  • 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