大腸がん原因物質コリバクチンの化学構造決定および発がんメカニズムの解明

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H02898
• 研究機関: 静岡県立大学
• 研究代表者: 渡辺 賢二 静岡県立大学, 薬学部, 教授 (50360938)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: コリバクチン / 遺伝毒性物質 / 天然物 / 生合成 / 大腸がん

研究実績の概要

clb clusterによって生合成されている低分子化合物が遺伝毒性物質の本体と考えられ、「コリバクチン」と命名されている。コリバクチンが大腸がんのリスク因子であるならば、大腸発がんの診断マーカーとしての活用や、その除去による大腸がんリスクの低減が期待できる。しかし、世界において強い注目を集める化合物でありながら、コリバクチン自体の検出は達成されておらず、化学構造は未決定であった。この事がコリバクチンの発がん作用機序の解明やマーカーとしての応用利用においての障壁となっていた。
コリバクチンは生合成遺伝子群（clb cluster）が特定されているため、相同性検索からclb cluster中の各酵素の機能を推測し、遺伝子破壊や異種発現、生合成中間体誘導体の単離や合成などによりコリバクチンの構造に迫る研究が、複数のグループから報告されている。近年までにClbOとClbLを除く、大半の生合成遺伝子の機能は明らかにされていた。コリバクチンの生合成では、プロドラッグ戦略が採用されていることが報告されている。すなわちPKSやNRPSのアセンブリーラインにより構築された非活性型の前駆体（プレコリバクチン）から、ペプチダーゼであるClbPによりN-myristoryl-D-asparagine（myr-asn）が切断されることで、活性型のコリバクチンへと変換されていることがわかっている。
このような背景のもと、我々はコリバクチンの化学構造の解明を目標としてコリバクチンの研究を開始した。まず手始めにコリバクチン生産菌の獲得のために、コリバクチン本体ではなく、生合成機構などを応用した実用的なコリバクチン生産菌の検出方法を確立した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

腸内細菌叢を構成する一部の大腸菌が動物細胞に接触すると、動物細胞のDNA二重鎖の切断および遺伝子変化による遺伝毒性が生じることが報告され、これらの菌が大腸がんのリスク因子である可能性が指摘されていました。これら大腸菌が生合成する天然有機化合物が遺伝毒性物質の本体と考えられ「コリバクチン」と命名されています。しかし、世界において高い注目を集める化合物でありながら、コリバクチン自体の検出は達成されておらず、化学構造は未決定のままでした。我々が分離したコリバクチン高生産株より、今回世界で初めてコリバクチンを捕らえることに成功しました。コリバクチンは極めて反応性が高く、容易に溶媒などの求核性の物質が付加し、複数の化合物へと分解する性質があり、加えて非常に微量な生産量であることが、コリバクチンをこれまで検出できなかった要因であると結論づけられました。この事がコリバクチンの発がん作用機序の解明やマーカーとしての応用利用においての障壁となっていましたが、本研究成果により今後大腸発がんの予防マーカーとしての活用や、その除去による大腸がんリスクの低減が期待できます。

本成果は、化学分野において最も権威のある国際化学雑誌『Journal of the American Chemical Society』(Impact Factor: 14.612) 電子版に2021年3月31日付けで掲載されました。

今後の研究の推進方策

日本人における大腸がん患者の64%（健常成人コリバクチン産生菌保菌率27%）が本菌の保有者であることを明らかにした。また、我々はヒトの大腸がん組織検体より数十株のコリバクチン生産菌の分離、培養に成功し、ある種の株（E. coli-50と命名）は既報のコリバクチン産生菌と比較して数10倍もの高生産量を示した (Hirayama, Y. et al. Org. Lett. 2019)。更に、E. coli-50は哺乳動物細胞に小核を誘発するとともに、コリバクチン特異的なDNA鎖切断活性を示し (Kawanishi, M. et al. J. Toxicol. Sci. 2019)、マウス大腸にも遺伝子傷害を誘発した。また、ヒト大腸がん由来のE. coli-50の培養液より分離したコリバクチンの化学構造を明らかとした（論文投稿中）。更に、疫学およびヒト介入試験より乳酸菌がコリバクチン産生菌の阻害因子であることを明らかにするとともに（Watanabe, D. et al. Sci. Rep. 2020）、コリバクチン産生菌の感染は新生児から乳児期における母子感染が主な感染ルートであることを強く示唆する結果を得た。そこで本研究では、新規大腸がんの高リスク群の把握と大腸がんの予防方法を提案する事を目指して、（１）コリバクチンによる発がんメカニズム解明、（２）コリバクチン産生菌の陽性日本人大腸がん組織の変異シグネチャー解析、（３）コリバクチン産生菌の感染ルート確定、（４）血液及び糞便を用いたコリバクチン産生菌感染の高感度検出法の確立、（５）コリバクチン産生菌の増殖抑制及びコリバクチン産生阻害因子の探索の5つの研究開発項目を設定し取り組む。

研究成果

• [雑誌論文] Isolation of New Colibactin Metabolites from Wild-Type Escherichia coli and In Situ Trapping of a Mature Colibactin Derivative (2021)
  • 著者名/発表者名: Tao Zhou, Yuichiro Hirayama, Yuta Tsunematsu, Nanami Suzuki, Seiji Tanaka, Nahoko Uchiyama, Yukihiro Goda, Yuko Yoshikawa, Yuji Iwashita, Michio Sato, Noriyuki Miyoshi, Michihiro Mutoh, Hideki Ishikawa, Haruhiko Sugimura, Keiji Wakabayashi, and Kenji Watanabe*
  • 雑誌名: JACS 巻: 1 ページ: 1-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] o-Anisidine Dimer, 2-Methoxy-N4-(2-methoxyphenyl) Benzene-1,4-diamine, in Rat Urine Associated with Urinary bladder Carcinogenesis (2021)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Takuma、Toyoda Takeshi、Tajima Yuya、Kishimoto Shinji、Tsunematsu Yuta、Sato Michio、Matsushita Kohei、Yamada Takanori、Shimamura Yuko、Masuda Shuichi、Ochiai Masako、Ogawa Kumiko、Watanabe Kenji、Takamura-Enya Takeji、Totsuka Yukari、Wakabayashi Keiji、Miyoshi Noriyuki
  • 雑誌名: Chemical Research in Toxicology 巻: 34 ページ: 912～919
  • DOI: 10.1021/acs.chemrestox.0c00536
  • 査読あり
• [雑誌論文] Artesunate inhibits intestinal tumorigenesis through inhibiting wnt signaling (2020)
  • 著者名/発表者名: Hamoya Takahiro、Fujii Gen、Iizumi Yosuke、Narita Takumi、Komiya Masami、Matsuzawa Yui、Miki Kohei、Kondo Tadashi、Kishimoto Shinji、Watanabe Kenji、Wakabayashi Keiji、Sakai Toshiyuki、Toshima Jiro、Mutoh Michihiro
  • 雑誌名: Carcinogenesis 巻: 42 ページ: 148～158
  • DOI: 10.1093/carcin/bgaa084
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genotyping of a gene cluster for production of colibactin and in vitro genotoxicity analysis of Escherichia coli strains obtained from the Japan Collection of Microorganisms (2020)
  • 著者名/発表者名: Kawanishi Masanobu、Shimohara Chiaki、Oda Yoshimitsu、Hisatomi Yuuta、Tsunematsu Yuta、Sato Michio、Hirayama Yuichiro、Miyoshi Noriyuki、Iwashita Yuji、Yoshikawa Yuko、Sugimura Haruhiko、Mutoh Michihiro、Ishikawa Hideki、Wakabayashi Keiji、Yagi Takashi、Watanabe Kenji
  • 雑誌名: Genes and Environment 巻: 42 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1186/s41021-020-00149-z
  • 査読あり
• [備考] https://sweb.u-shizuoka-ken.ac.jp/~kenji55-lab/