酵素複合体メタボロン研究の新展開：酵素群の膜上提示技術がもたらすブレークスルー

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03938
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 中山 亨 東北大学, 工学研究科, 教授 (80268523)
• 研究分担者: 飯嶋 益巳 東京農業大学, 応用生物科学部, 准教授 (40390728) ; 山下 哲 金沢大学, 物質化学系, 准教授 (70361186)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: メタボロン / フラボノイド / タンパク質間相互作用 / カルコン異性化酵素類似タンパク質

研究実績の概要

各種植物（ダイズ，トレニア，キンギョソウ）のフラボン合成酵素（FNS）を酵母（Pichia pastoris）細胞内での発現を試みた．その結果，キンギョソウのFNSを発現させた場合に，膜画分に活性型FNSの発現が確認された．現在，この膜結合型FNS発現産物の高分子性界面活性剤（DIBMA）処理による単離，膜結合型FNS/DIBMA複合体の基盤上への固定化，メタボロンの試験管内再構成，高速AFMによる直接的観察，結合のキネティクスを検討中である．本研究の過程で，カルコン異性化酵素類似タンパク質（CHIL）がいくつかの植物のフラボノイドメタボロンに含まれること，CHILがカルコン合成酵素（CHS）と相互作用することによりCHSの生成物特異性を矯正すること，またCHILのこの機能が陸上植物に普遍的であることを見出した．フラボノイドメタボロン形成におけるタンパク質間相互作用界面に関する手がかりを得るため，キンギョソウやダイズのにおけるCHSとCHILの相互作用を，２価性架橋試薬を用いて解析した．その結果，キンギョソウの系についてCHSとCHILの相互作用界面に関する重要な手がかりが得られた．さらにダイズのCHS（GmCHS）とCHIL（GmCHIL）についてはそれぞれ結晶を調製してX線結晶構造解析を実施した．このうちGmCHSについては，生成物構造類似体や補酵素A（CoA）との複合体や単体での結晶構造を明らかにすることができた．またダイズにおけるダイゼインの生成の鍵酵素であるカルコン還元酵素（CHR）のダイズイソフラボノイドメタボロンへの参画を明らかにし，メタボロン形成による代謝チャネリングの証拠について考察した．

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Biochemistry and regulation of aurone biosynthesis (2022)
  • 著者名/発表者名: Toru Nakayama
  • 雑誌名: ioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: NA ページ: NA
  • DOI: 10.1093/bbb/zbac034
  • 査読あり
• [雑誌論文] Crystal structure of chalcone synthase, a key enzyme for isoflavonoid biosynthesis in soybean (2021)
  • 著者名/発表者名: Riki Imaizumi, Ryo Mameda, Kohei Takeshita, Hiroki Kubo, Naoki Saka, Shun Nakata, Seiji Takahashi, Kunishige Kataoka, Masaki Yamamoto, Toru Nakayama, Satoshi Yamashita, Toshiyuki Waki
  • 雑誌名: Proteins 巻: 89 ページ: 126-131
  • DOI: 10.1002/prot.25988
  • 査読あり
• [雑誌論文] ゴマリグナン配糖体の生合成経路の全貌解明 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小埜 栄一郎 村田 純 堀川 学 中山 亨
  • 雑誌名: バイオサイエンスとインダストリー 巻: 78 ページ: 386-391
  • 査読あり
• [雑誌論文] A conserved strategy of chalcone isomerase-like protein to rectify promiscuous chalcone synthase specificity (2020)
  • 著者名/発表者名: T. Waki, R. Mameda, T. Nakano, S. Yamada, M. Terashita, K. Ito, N. Tenma, Y. Li, N. Fujino, K. Uno, S. Yamashita, Y. Aoki, K. Denessiouk, Y. Kawai, S. Sugawara, K. Saito, K. Yonekura-Sakakibara, Y. Morita, A. Hoshino, S. Takahashi & T. Nakayama
  • 雑誌名: NATURE COMMUNICATIONS 巻: 11 ページ: 870
  • DOI: 10.1038/s41467-020-14558-9
  • 査読あり
• [雑誌論文] 酵素の特異性のあいまいさと植物特化代謝の進化: フラボノイド生合成から示唆されること 特異性を矯正する影武者タンパク質の発見 (2020)
  • 著者名/発表者名: 中山 亨，高橋征司，和氣駿之
  • 雑誌名: 化学と生物 巻: 58 ページ: 354-361
  • 査読あり
• [雑誌論文] Managing enzyme promiscuity in plant specialized metabolism: A lesson from flavonoid biosynthesis: Mission of a “body double” protein clarified (2020)
  • 著者名/発表者名: Toshiyuki Waki Seiji Takahashi Toru Nakayama
  • 雑誌名: BioEssays 巻: NA ページ: e2000164
  • DOI: 10.1002/bies.202000164
  • 査読あり
• [学会発表] 植物フラボノイドの生合成と構造的多様性に関する酵素科学的研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中山 亨
  • 学会等名: 日本農芸化学会大会2021年度大会（仙台）
  • 招待講演
• [学会発表] キンギョソウとベニバナに学ぶ花色発現のフラボノイド酵素科学 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中山 亨
  • 学会等名: 日本農芸化学会東北支部 第156回大会 （山形大学 オンライン開催）
  • 招待講演
• [学会発表] イソフラボノイド生合成におけるメタボロン形成 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中山 亨
  • 学会等名: 第94回日本生化学会大会（横浜 オンライン開催）
  • 招待講演
• [学会発表] セサミノール配糖体の分解の代謝生理学 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中山 亨
  • 学会等名: 第36回日本ゴマ科学会大会（宮崎 オンライン）
  • 招待講演
• [学会発表] フラボノイドの生合成 植物はなぜそれをつくるのか (2021)
  • 著者名/発表者名: 中山 亨
  • 学会等名: ビタミンB研究委員会シンポジウム バイオファクター：そのつくられ方と多彩な健康増進効果
  • 招待講演