| 研究課題/領域番号 |
17H03806
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| 研究機関 | 島根大学 |
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研究代表者 |
川向 誠 島根大学, 生物資源科学部, 教授 (70186138)
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| 研究分担者 |
村井 正俊 京都大学, 農学研究科, 助教 (80543925)
戒能 智宏 島根大学, 生物資源科学部, 准教授 (90541706)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | コエンザイムQ / ユビキノン / 分裂酵母 / ミトコンドリア / 電子伝達系 / 抗酸化 |
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| 研究実績の概要 |
コエンザイムQ（ユビキノン、CoQ）は電子伝達系の必須成分としてATP合成に重要な機能を果たしていると同時に、抗酸化物質としての機能がある。イソプレン１０単位の側鎖を有するCoQ10は人間の体内でも合成されているが、その量は加齢とともに減少することから、食品サプリメントとして補うと効果的である。一方、CoQ10の合成量が低下している患者がミトコンドリア脳筋症になるということが報告され、生合成と遺伝病との関連性が注目されている。CoQ生合成の解明にはモデル生物である酵母での解析を進めることが重要で、その知見を人間のCoQ生合成経路の理解へと発展させることができる。しかしながらCoQ生合成には不明な点が多々残っている。研究が進展しにくい理由はCoQ生合成経路途中の中間体が蓄積しないため、特定の反応に関わる酵素の遺伝子を同定することが困難であることによる。幸い、分裂酵母でCoQ生合成に関わる遺伝子を破壊した時に反応直前の前駆体らしきものが蓄積することがあり、分裂酵母を研究対象とする大きな利点である。そこで、生合成に関与する遺伝子、dps1, dlp1, coq2-coq9の欠損株を構築し、それらの株で蓄積する中間体を質量分析器で同定したところ、いくつかの株で前駆体化合物を同定することに成功した。coq7欠損株においてはDemethoxy Q10が蓄積するのに対して、coq5欠損株においてはDemethylDemethoxy Q10が蓄積しており、合成系が推定通り進んでいることがわかった。coq6欠損株においては直近の物質Decaprenyl hydroxyl benzoateが蓄積する以外に、4-decaprenyl hydroxy phenolの合成が見られた。このような結果により、CoQ生合成の理解に進展が見られた。
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| 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
分裂酵母の生合成には、dps1, dlp1, coq2-coq9遺伝子が関わることをこれまでに明らかにしているが、それぞれの遺伝子欠損株での中間体の蓄積を詳細に解析した。前駆体物資を添加することにより、CoQ10生合成の中間物質の蓄積がみられることから、調べる遺伝子の破壊株にp-hydroxy benzoate (PHB)とp-amino benzoate(pABA)を添加することで、中間体の有無や増減を確認し、それを質量分析機で同定した。さらに、13C-PHBや13C-pABAの安定同位体を用いて、質量の増減を調べることにより、中間体物質の変動を質量分析機で測定した。分裂酵母のcoq7欠損株においてはDemethoxy Q10が蓄積するのに対して、coq5欠損株において、２種類の前駆体を検出し、１つは直近の物質DemethylDemethoxy Q10であったが、もう１つはさらに反応が進んだ化合物Demethyl Q10が検出された。Coq7は水酸化酵素として機能し、Coq5はメチル化酵素として働くことを支持している。coq6欠損株において、２種類の前駆体を検出し、１つは直近の物質Decaprenyl hydroxyl benzoate (DHB), もう１つはさらに反応が進んだ化合物4-decaprenyl hydroxy phenolが検出された。Coq6は初期の段階でプレニルPHBの水酸化酵素として働くが、coq6が欠損しても反応が少し先へ進行することが分かった。coq3欠損株、coq8欠損株、coq9欠損株においては、DHBが検出された。coq4欠損株にpABAを添加した時に、アミノ基が付加された化合物が検出された。これらの結果は、それぞれの遺伝子の機能を推定することができ、CoQ10の生合成の解明に進展をもたらせたことから順調に研究は進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
コエンザイムQ（CoQ）の生合成に関する知見は大腸菌と酵母の変異株の解析から進展してきている。大腸菌は原核生物の代表として、基本的な代謝経路は明らかにされているが、酵母においては代謝経路の不明な点が残っており、真核生物の基本的な合成経路は完全には解明されていない。真核生物の代表である酵母でのCoQ生合成研究が人の生合成の理解に大きく貢献している。これまでの研究で私達たちは、分裂酵母を主に材料として、CoQ生合成に関わる遺伝子の機能同定を進めてきた。分裂酵母はCoQ10を合成する生物種であることから、人の生合成を理解する上でも、将来生産菌として使用する点においても他の真核生物よりも優位性がある。分裂酵母において、それぞれのCoQ生合成遺伝子の欠損株においてはその反応を推定するための前駆体の蓄積が認められる場合とそうでない場合がある。前駆体の蓄積が認められない場合の反応機能の推定が困難であるため、研究手法に工夫が必要である。例えば、機能を推定するためには、それぞれの遺伝子の変異体を多数単離し、部分的に機能を失活しているがタンパク質は存在している変異体を誘導し、その変異体における前駆体の蓄積を調べる。前駆体の蓄積が認められれば、それをLC-MSやFT-MSで同定する。さらに２重の欠損株を構築し、その時の前駆体の蓄積を調べることにより反応の順番を決定していく。さらに研究が進み予想される前駆体が同定できれば、その遺伝子産物をin vitroの反応系に供し、反応生成物を同定する。分裂酵母は元来CoQ10を生合成し、人間の生合成経路との共通点が認めれれる。そこで、ヒトの遺伝子の分裂酵母で発現させその機能を推定し、それを人の遺伝病との関連に役立て行くことを研究の展望としている。
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