イオウ依存型エネルギー代謝機構の解明：発酵科学・医学生物学のニューパラダイム

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K15803
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 西村 明 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (30781728)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: イオウ呼吸 / エネルギー代謝 / 酵母 / 発酵

研究実績の概要

発酵生産は生育に必要なエネルギーを目的の有用物質の代謝に活用するため、目的物質の生産性が増加するに伴い、生育遅延がしばしば起こる。従って、目的物質の生産性の向上は、細胞の生育と生産性のバランスを上手く維持しながら、これまで進められてきた。しかし、細胞が有するエネルギーの総量が決まっているため、従来の代謝工学を活用した方法には限界がきている。最近、研究代表者らは、活性イオウ分子：システインパースルフィド（CysSSH）がシステイニルtRNA合成酵素によって生合成されることを報告した（cysteine persulfide synthase:CPERSと命名）。さらに、哺乳類において、新規なエネルギー代謝である「イオウ呼吸」の存在を発見した。イオウ呼吸は電子伝達系において、イオウ代謝物（CysSSH）が酸素の代わりに働き、さらに副次的に生成する硫化水素がsulfide-quine reductase（SQR）を介してNADHの代わりに膜電位形成に寄与する新規なエネルギー代謝である。本研究では酵母におけるイオウ呼吸の解析を通して、「イオウ呼吸エネルギー代謝理論」を確立することで、発酵生産を飛躍的に改良する手段を提唱することを目的とした。
前年度、SQRのホモログ遺伝子を破壊した場合、ミトコンドリアのエネルギー代謝不全が起こることが判明し、酵母にもイオウ呼吸が存在することが示唆された。本年度はイオウ呼吸の電子授与体であるCysSSHの合成経路を解析した。その結果、酵母も哺乳類と同様にCPERSホモログであるCrs1依存的にCysSSHが合成されることがわかった。また、CRS1変異体はミトコンドリアのエネルギー代謝不全が見られ、細胞内ATP含量の低下が認められた。以上より、酵母においてもCPERSやSQR依存的なエネルギー代謝が存在することが考えられた。

研究成果

• [雑誌論文] Downregulation of the broad-specificity amino acid permease Agp1 mediated by the ubiquitin ligase Rsp5 and the arrestin-like protein Bul1 in yeast (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanahashi Ryoya、Matsushita Tomonori、Nishimura Akira、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1093/bbb/zbab028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inhibitory effect of arginine on proline utilization in Saccharomyces cerevisiae (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Tanikawa Tsubasa、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Yeast 巻: 37 ページ: 531～540
  • DOI: 10.1002/yea.3504
  • 査読あり
• [雑誌論文] The yeast α-arrestin Art3 is a key regulator for arginine-induced endocytosis of the high-affinity proline transporter Put4 (2020)
  • 著者名/発表者名: Nishimura Akira、Tanahashi Ryoya、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Biochemical and Biophysical Research Communications 巻: 531 ページ: 416～421
  • DOI: 10.1016/j.bbrc.2020.07.117
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of a novel variant of the yeast γ-glutamyl kinase Pro1 on its enzymatic activity and sake brewing (2020)
  • 著者名/発表者名: Murakami Naoyuki、Kotaka Atsushi、Isogai Shota、Ashida Keiko、Nishimura Akira、Matsumura Kengo、Hata Yoji、Ishida Hiroki、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 巻: 47 ページ: 715～723
  • DOI: 10.1007/s10295-020-02297-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] The C2 domain of the ubiquitin ligase Rsp5 is required for ubiquitination of the endocytic protein Rvs167 upon change of nitrogen source (2020)
  • 著者名/発表者名: Tanahashi Ryoya、Afiah Tira Siti Nur、Nishimura Akira、Watanabe Daisuke、Takagi Hiroshi
  • 雑誌名: FEMS Yeast Research 巻: 20 ページ: -
  • DOI: 10.1093/femsyr/foaa058
  • 査読あり
• [学会発表] アルギニンによる酵母のプロリン資化抑制機構 (2021)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、高木 博史
  • 学会等名: 日本農芸化学学会
  • 招待講演
• [学会発表] 酵母Saccharomyces cerevisiaeにおけるプロリン資化抑制機構の理解 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、棚橋 亮弥、高木 博史
  • 学会等名: 日本生化学会
• [学会発表] 酵母Saccharomyces cerevisiaeにおけるアルギニンによるプロリン資化抑制機構の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 西村 明、谷川 翼、棚橋 亮弥、高木 博史
  • 学会等名: 日本醸造学会
• [備考] リサーチマップ（西村明）
  • URL: https://researchmap.jp/akira_nishimura
• [備考] NAIST 高木研のホームページ
  • URL: https://bsw3.naist.jp/takagi/