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2018 年度 実績報告書

放線菌ゲノム情報に基づいた二次代謝生合成・誘導制御・形態分化の分子基盤の統合深化

研究課題

研究課題/領域番号 16H04917
研究機関広島大学

研究代表者

荒川 賢治  広島大学, 先端物質科学研究科, 准教授 (80346527)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワード二次代謝産物 / アゾキシアルケン / 生合成 / ピロロキノリンキノン / 形態分化 / 制御カスケード / シグナル分子
研究実績の概要

放線菌Streptomyces rochei 7434AN4株は、3つの線状プラスミドpSLA2-L, -M, -Sをもち、2つのポリケチド抗生物質ランカサイジン(LC)・ランカマイシン(LM)を生産する。本研究では、放線菌における二次代謝生合成、形態分化、シグナル分子制御の統合深化を目指し、平成30年度は以下の3課題を遂行した。
(1) 特異生合成マシナリーの機能解析【二次代謝生合成】
まず、アゾキシアルケン化合物KA57-Aの生合成マシナリーに注目した。KA57-A生合成遺伝子(azx)クラスター中のポリケチド生合成酵素(PKS)遺伝子について、遺伝子破壊株の代謝プロファイル変化を解析したところ、親株と変化が見られなかった。クラスター中のPKSはKA57-A生合成に関与していないことが強く示唆された。また、LC生合成におけるキノン要求性デヒドロゲナーゼOrf23の機能解析を行い、基質特異性を明らかにした。
(2) 多面発現制御による未同定二次代謝産物の抽出と生合成【シグナル分子制御】:シグナル分子結合部位Trpが保存されていた転写リプレッサーについて遺伝子変異を施したところ、親株に見られない化合物の蓄積が認められ、フェニルプロパノイドや芳香族アミノ酸誘導体であった。これらの蓄積原因に関して興味が持たれる。
(3) ゲノム比較による形態分化関連遺伝子の抽出と同定【形態分化】
染色体末端欠失株において、「2-39株以外に共通して見いだされる領域」に気中菌糸形成因子の存在が示唆されたため、該当する138 ORFs (SRO_6607-SRO_6744) (nt 7,275-7,431 kb of the 7434AN4 chromosome) に注目した。そのうちの1つwhiBの相補株についてコロニー生育及びSEM測定を行ったところ、コントロール株との顕著な差異は認められなかった。

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

【二次代謝生合成】:[課題1]アゾキシアルケン化合物の生合成マシナリーの先導的解明、[課題4]ポリケチド合成酵素の機能同定とハイブリッド抗生物質の創製、[課題6]比較メタボロームによる未同定二次代謝産物の抽出と生合成
[課題1]において、アゾキシアルケン化合物マニワマイシン生合成遺伝子クラスターの次世代シークエンス解析も行い、バラニマイシン、KA57-Aとの共通ORFを抽出できた。また[課題4]において、ポリエン化合物ペンタマイシンの生合成クラスターについて、P450酵素の遺伝子破壊実験により確認した。さらにC10の直鎖ポリケチド化合物シトレオジオールの生合成遺伝子について、C-メチル基転移酵素を指標に探索し、該当クラスターを3つにまで絞り込んだ。また、LC生合成におけるキノン要求性デヒドロゲナーゼの機能解析を達成した。
【形態分化】:[課題2]染色体環状化株における欠失領域の特定、[課題5]ゲノム比較による形態分化関連遺伝子の抽出と同定
[課題2]において、次世代シークエンスにより欠失領域の推定に成功した。しかし、ロングリードに長けているPacBioシークエンスにおいても、両端融合配列の取得には至らなかった。当該領域にトランスポゾンなどきわめて高度な重複配列の存在が考えられた。[課題5]において、未解明形態分化関連遺伝子の存在が示唆された138ORFの解析に着手している。
【シグナル分子制御】:[課題3]シグナル分子制御シグナルカスケードの網羅的解析、[課題7]多面発現制御による休眠二次代謝のゲノムマイニング
[課題3]において、リプレッサーsrrB変異について、遺伝子発現と代謝の経時変化を指標に解析したところ、活性化因子srrYの後期発現がSrrBによって抑制されることが分かった。[課題7]においてリセプター遺伝子の変異解析により、通常非生産の代謝産物活性化を見いだした。

今後の研究の推進方策

【二次代謝生合成】:[課題1]にて掲げるアゾキシアルケン化合物の特異なアゾキシ結合形成メカニズムについて、今後は共通因子に絞り込んで網羅的遺伝子破壊実験を行う。さらに、in silico比較解析と酵素変換実験なども組み合わせ、アゾキシ結合形成メカニズムの先駆的解明を目指す。さらに[課題6]に着手し、本菌の休眠二次代謝産物と考えられている特異生合成マシナリー(C-P化合物、擬オリゴ糖など)の遺伝子発現活性化と代謝産物取得を目指す。
【形態分化】:各染色体環状化株における表現型と遺伝子欠失領域の関係を明らかにし、次いで、欠失領域の遺伝子相補実験を行う。具体的には、まず、コスミドの取得やPCR walkingによる融合配列の取得を目指す。それと並行して、欠失領域に含まれる138ORFのうち、6つの制御遺伝子に着目し、これらをクローニングして2-39株に形質転換し、胞子形成の回復の有無を調べる。
【シグナル分子制御】:現在までに制御遺伝子改変による代謝増強・休眠二次代謝の覚醒戦略を立案できた。今後は生合成クラスターの発現標的の特定なども行い、制御カスケードの全貌解明を目指す。

  • 研究成果

    (46件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (6件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 1件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (29件) (うち国際学会 11件、 招待講演 5件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Heliopolis University(エジプト)

    • 国名
      エジプト
    • 外国機関名
      Heliopolis University
  • [国際共同研究] University of Alberta(カナダ)

    • 国名
      カナダ
    • 外国機関名
      University of Alberta
  • [国際共同研究] Weizmann Institute of Science(イスラエル)

    • 国名
      イスラエル
    • 外国機関名
      Weizmann Institute of Science
  • [国際共同研究] Oregon State University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Oregon State University
  • [国際共同研究] Srinakharinwirot University(タイ)

    • 国名
      タイ
    • 外国機関名
      Srinakharinwirot University
  • [国際共同研究]

    • 他の国数
      1
  • [雑誌論文] Computational prediction of the mode of binding of antitumor lankacidin C to tubulin2019

    • 著者名/発表者名
      Ahmed Taha Ayoub, Mohamed Ali Elrefaiy, Kenji Arakawa
    • 雑誌名

      ACS Omega

      巻: 4 ページ: 4461-4471

    • DOI

      10.1021/acsomega.8b03470

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Preparation of PVA/polymer colloid nanocomposite hydrogel using PS-PNVA particles2019

    • 著者名/発表者名
      Naoya Toyoda, Tetsuya Yamamoto, Kenji Arakawa, Aiko Teshima
    • 雑誌名

      Chem. Lett.

      巻: 48 ページ: 378-381

    • DOI

      10.1246/cl.181042

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 制御因子およびシグナル分子に注目した放線菌二次代謝生合成の合理的活性化戦略2019

    • 著者名/発表者名
      手島 愛子, 見崎 裕也, 荒川 賢治
    • 雑誌名

      アグリバイオ

      巻: 3 ページ: 391-394

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 微生物における共存と二次代謝生産2019

    • 著者名/発表者名
      手島 愛子, 荒川 賢治
    • 雑誌名

      生物工学会誌

      巻: 97 ページ: 138

  • [雑誌論文] Quinoprotein dehydrogenase functions at the final oxidation step of lankacidin biosynthesis in Streptomyces rochei 7434AN42018

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Yamauchi, Yosi Nindita, Keisuke Hara, Asako Umeshiro, Yu Yabuuchi, Toshihiro Suzuki, Haruyasu Kinashi, Kenji Arakawa
    • 雑誌名

      J. Biosci. Bioeng.

      巻: 126 ページ: 145-152

    • DOI

      10.1016/j.jbiosc.2018.03.006

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Antimicrobial activities of polymers synthesized through soap-free emulsion polymerization using a cationic initiator and styrene derivative monomers2018

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Yamamoto, Kenji Arakawa, Ryo Furuta, Aiko Teshima
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 47 ページ: 1402-1404

    • DOI

      10.1246/cl.180762

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Manipulation of metabolic pathway controlled by signaling molecules, inducers of antibiotic production, for genome mining in Streptomyces spp.2018

    • 著者名/発表者名
      Kenji Arakawa
    • 雑誌名

      Antonie van Leeuwenhoek

      巻: 111 ページ: 743-751

    • DOI

      10.1007/s10482-018-1052-6

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Antimicrobial activities of low molecular weight polymers synthesized through soap-free emulsion polymerization2018

    • 著者名/発表者名
      Tetsuya Yamamoto, Kenji Arakawa, Yuya Takahashi, Miho Sumiyoshi
    • 雑誌名

      Eur. Polym. J.

      巻: 109 ページ: 532-536

    • DOI

      10.1016/j.eurpolymj.2018.10.047

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 悉皆的ゲノムマイニングを指向した放線菌二次代謝生合成・誘導制御の分子基盤の統合深化2018

    • 著者名/発表者名
      手島 愛子, 見崎 裕也, 荒川 賢治
    • 雑誌名

      アグリバイオ

      巻: 2 ページ: 1392-1395

  • [雑誌論文] 抗生物質生合成を司るピロロキノリンキノン要求性デヒドロゲナーゼ2018

    • 著者名/発表者名
      原 圭佑, 鈴木 敏弘, 荒川 賢治
    • 雑誌名

      バイオサイエンスとインダストリー

      巻: 77 ページ: 119-121

  • [学会発表] Extensive metabolic engineering for activation of silent secondary metabolite gene clusters in Streptomyces species2019

    • 著者名/発表者名
      Kenji ARAKAWA
    • 学会等名
      2nd China-Japan Joint Symposium on Natural Product Biosynthesis
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 放線菌Streptomyces rocheiの二次代謝生産誘導シグナル分子SRBの生合成に関与する還元酵素遺伝子srrGの機能解析2019

    • 著者名/発表者名
      手島 愛子, 謝 麗, 河原 弘幸, 荒川 賢治
    • 学会等名
      日本農芸化学会・中四国支部第53回講演会(例会)
  • [学会発表] 放線菌Streptomyces rochei二次代謝制御系の解析2019

    • 著者名/発表者名
      見崎 裕也, 岩國 美由季, 高橋 譲, 鈴木 敏弘, 木梨 陽康, 荒川 賢治
    • 学会等名
      日本農芸化学会・中四国支部第53回講演会(例会)
  • [学会発表] 抗生物質生産を誘導するブテノライド型シグナル分子SRBを用いた休眠二次代謝の活性化2019

    • 著者名/発表者名
      手島 愛子, 住吉 美保, 江口 雄聡, 荒川 賢治
    • 学会等名
      日本農芸化学会2019年度大会
  • [学会発表] 放線菌シグナル分子制御遺伝子群の合理的改変を基軸とした二次代謝生産の網羅的解析2019

    • 著者名/発表者名
      見崎 裕也, 手島 愛子, 荒川 賢治
    • 学会等名
      日本農芸化学会2019年度大会
  • [学会発表] カルボサイクリックポリケチド化合物の大員環形成メカニズムの解析2019

    • 著者名/発表者名
      大方 葉月, 行吉 裕治, 稲橋 佑樹, 高橋 洋子, 大村 智, 葛山 智久, 中島 琢自, 荒川 賢治
    • 学会等名
      日本農芸化学会2019年度大会
  • [学会発表] ゲノム情報および網羅的メタボローム解析を基軸にした有用生理活性物質の探索2019

    • 著者名/発表者名
      西浦 凜貴斗, Amirudin Akhmad Fauzi, Yosi Nindita, 荒川 賢治
    • 学会等名
      日本農芸化学会2019年度大会
  • [学会発表] 放線菌Streptomyces rocheiの抗生物質生産に関与する還元酵素遺伝子srrGの機能解析2018

    • 著者名/発表者名
      手島 愛子
    • 学会等名
      第2回生合成リデザイン若手シンポジウム
  • [学会発表] Biosynthesis investigation of maniwamycin isolated from Streptomyces sp. TOHO-M0252018

    • 著者名/発表者名
      Yosi Nindita
    • 学会等名
      第2回生合成リデザイン若手シンポジウム
  • [学会発表] Genome-wide metabolic engineering for activation of the silent secondary metabolites gene clusters in Streptomyces species2018

    • 著者名/発表者名
      Kenji Arakawa
    • 学会等名
      The 3rd A3 Foresight Symposium on Chemical & Synthetic Biology of Natural Products
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] A reductase gene srrG is involved in the biosynthesis of signaling molecules SRBs that induce antibiotic production in Streptomyces rochei2018

    • 著者名/発表者名
      Aiko Teshima, and Kenji Arakawa
    • 学会等名
      The 3rd A3 Foresight Symposium on Chemical & Synthetic Biology of Natural Products
    • 国際学会
  • [学会発表] Control of metabolic titer by manipulation of regulatory genes2018

    • 著者名/発表者名
      Yuya Misaki, Miyuki Iwakuni, Yuzuru Takahashi, Toshihiro Suzuki, Haruyasu Kinashi, and Kenji Arakawa
    • 学会等名
      The 3rd A3 Foresight Symposium on Chemical & Synthetic Biology of Natural Products
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural and biosynthetic investigation of secondary metabolites accumulated in the plasmidless mutants of Streptomyces rochei2018

    • 著者名/発表者名
      Amirudin Akhmad Fauzi, Yosi Nindita, and Kenji Arakawa
    • 学会等名
      The 3rd A3 Foresight Symposium on Chemical & Synthetic Biology of Natural Products
    • 国際学会
  • [学会発表] Structural analysis of orange pigment in Streptomyces rochei2018

    • 著者名/発表者名
      Rukman Muslimin, Natsumi Shogase, and Kenji Arakawa
    • 学会等名
      The 3rd A3 Foresight Symposium on Chemical & Synthetic Biology of Natural Products
    • 国際学会
  • [学会発表] Exploring of the cryptic bioactive secondary metabolites by extensive genome mining2018

    • 著者名/発表者名
      Rikito Nishiura, Junko Hashimoto, Kazuo Shin-ya, Haruo Ikeda, and Kenji Arakawa
    • 学会等名
      The 3rd A3 Foresight Symposium on Chemical & Synthetic Biology of Natural Products
    • 国際学会
  • [学会発表] Functional analysis of an amine oxidase involved in lankacidin biosynthesis2018

    • 著者名/発表者名
      Hazuki Ogata, Yuji Yukiyoshi, and Kenji Arakawa
    • 学会等名
      The 3rd A3 Foresight Symposium on Chemical & Synthetic Biology of Natural Products
    • 国際学会
  • [学会発表] Genome-wide metabolic engineering for activation of the silent secondary metabolites gene clusters in Streptomyces species2018

    • 著者名/発表者名
      Kenji Arakawa
    • 学会等名
      3rd European Conference on Natural Products
    • 国際学会
  • [学会発表] Genome Mining, Biosynthesis, and Biological Activity of Azoxyalkene Compound2018

    • 著者名/発表者名
      Kenji Arakawa
    • 学会等名
      1st Germany-Japan Joint Symposium on the Biosynthesis of Natural Products
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Streptomyces rocheiの二次代謝生産における還元酵素遺伝子srrGの機能解析2018

    • 著者名/発表者名
      手島 愛子, 謝 麗, 河原 弘幸, 荒川 賢治
    • 学会等名
      第33回日本放線菌学会大会
  • [学会発表] 制御遺伝子改変を基軸とした二次代謝産物のゲノムマイニング2018

    • 著者名/発表者名
      見崎 裕也, 岩國 美由季, 高橋 譲, 鈴木 敏弘, 木梨 陽康, 荒川 賢治
    • 学会等名
      第33回日本放線菌学会大会
  • [学会発表] 抗生物質生産に関与するキノン補酵素の機能解析2018

    • 著者名/発表者名
      原 圭佑, 梅代 亜紗子, 山内 佑介, 荒川 賢治
    • 学会等名
      第33回日本放線菌学会大会
  • [学会発表] カルボサイクリックポリケチド化合物の大員環形成メカニズムの解析2018

    • 著者名/発表者名
      大方 葉月, 行吉 裕治, 荒川 賢治
    • 学会等名
      第33回日本放線菌学会大会
  • [学会発表] 網羅的メタボローム解析を駆使した未同定二次代謝産物取得の試み2018

    • 著者名/発表者名
      西浦 凜貴斗, Amirudin Akhmad Fauzi, Yosi Nindita, 荒川 賢治
    • 学会等名
      第33回日本放線菌学会大会
  • [学会発表] Streptomyces rochei 7434AN4株の線状ゲノムの全塩基配列決定2018

    • 著者名/発表者名
      Yosi Nindita, 稲田 晋宣, Amirudin Akhmad Fauzi, 手島 愛子, 見崎 裕也, Rukman Muslimin, 石川 淳, 木梨 陽康, 荒川 賢治
    • 学会等名
      第33回日本放線菌学会大会
  • [学会発表] 抗生物質生産に関与するキノン補酵素の機能解析2018

    • 著者名/発表者名
      原 圭佑, 梅代 亜紗子, 山内 佑介, 荒川 賢治
    • 学会等名
      日本生物工学会西日本支部会・第4回講演会
  • [学会発表] Maniwamycinの生合成起源の解析および生物活性2018

    • 著者名/発表者名
      達川 綾香,岸本 拓也, 福本 敦, 安齊 洋次郎, 荒川 賢治
    • 学会等名
      日本生物工学会西日本支部会・第4回講演会
  • [学会発表] 放線菌の抗生物質生産を誘導するブテノライド型シグナル分子の分子多様性解析2018

    • 著者名/発表者名
      住吉 美保, 手島 愛子, 荒川 賢治
    • 学会等名
      日本生物工学会西日本支部会・第4回講演会
  • [学会発表] Microbial genome mining approaches to discover biologically active secondary metabolites2018

    • 著者名/発表者名
      Kenji ARAKAWA
    • 学会等名
      1st Egyptian-Japanese Joint Symposium; Mining the microbial pathways for the discovery of new bio-active natural products
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 代謝経路の合理的改変により得られた休眠二次代謝産物の精密分子変換機構とリデザイン2018

    • 著者名/発表者名
      荒川 賢治
    • 学会等名
      生合成リデザイン・第5回公開シンポジウム
    • 招待講演
  • [備考] 細胞機能化学研究室・荒川グループのホームページ

    • URL

      http://home.hiroshima-u.ac.jp/mbiotech/5lab/Arakawa/intro-J.html

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公開日: 2019-12-27  

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