新たな創薬資源の採集調査と新奇天然物生合成マシナリーの探索と解明

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20KK0173
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 阿部 郁朗 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 教授 (40305496)
• 研究分担者: 淡川 孝義 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, チームリーダー (80609834) [辞退] ; 森 貴裕 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 准教授 (60734564) ; 牛丸 理一郎 東京大学, 大学院薬学系研究科(薬学部), 助教 (10873648)
• 研究期間 (年度): 2020-10-27 – 2024-03-31
• キーワード: 創薬資源採集調査 / 天然物生合成 / 生合成マシナリー / 生物多様性

研究実績の概要

以下の４つの項目を2020年度から4年間の計画で遂行した。
（１）植物内生菌、土壌微生物の最終単離（中国側が主導）長鎖対象地域として、未開拓薬用資源の宝庫、生物多様性ホットスポットとされる、中国南西部を選択した。（２）低分子化合物の単離構造決定、生物活性評価（中国側が主導）上述したカルチャー・コレクションについて、異なる培養条件下で二次代謝産物生産を詳細に検討し、微生物が生産する二次代謝産物とその生物活性を網羅的に解析した。（３）生合成マシナリーの解明と物質生産系の構築（日本側と中国側で同時進行）上述したカルチャー・コレクションで、有用な生物活性物質生産能を示した微生物について、バイオインフォマティクスの技術を駆使したゲノムマイニングにより、テルペン、ポリケタイド、ペプチドなど、生物間相互作用に重要な役割を演ずる可能性が予想される創薬シード合物の新奇生合成酵素遺伝子を網羅的に探索し、その生合成マシナリーの詳細を解明る。大腸菌や酵母、麹菌などを宿主として、これら遺伝子の異種発現による物質生産系を構築する。有機化学を基盤として、生合成反応機構の詳細を酵素遺伝子レベルで明らかにする。（４）酵素結晶構造解析、機能改変と生合成リデザイン（日本側が主導）X線結晶構造解析により、酵素反応の立体構造基盤を明らかにするとともに、結晶構造に基づく酵素触媒機能の拡張と最適化をめざす。さらなる構造多様性の拡大と物質生産系の構築を実現し、所望の構造を有する、天然物を凌ぐ新規有用活性物質の安定供給をめざした。

最終年度も、質量ともに充実した研究成果をあげることに成功した。また、Enfumafungin抗生物質の生合成マシナリーの解明（JACS2024）、生薬クコの実（枸杞子）有効成分の生合成に関わる新奇配糖化酵素の構造機能解析（Nat Commun, in revision）など、共同研究成果が着実に多くの優れた共著論文に実りつつある。

研究成果

• [国際共同研究] ジ南大学/中国科学院/浙江大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: ジ南大学/中国科学院/浙江大学
  • 他の機関数: 3
• [国際共同研究] チェコ科学アカデミー(チェコ)
  • 国名: チェコ
  • 外国機関名: チェコ科学アカデミー
• [国際共同研究] ノースカロライナ大/テキサス大/カーネギーメロン大(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ノースカロライナ大/テキサス大/カーネギーメロン大
• [国際共同研究] マンチェスター大(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: マンチェスター大
• [国際共同研究] オークランド大(ニュージーランド)
  • 国名: ニュージーランド
  • 外国機関名: オークランド大
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] Unusual cysteine modifications in natural product biosynthesis (2024)
  • 著者名/発表者名: Gao Yaojie、Zhu Yuhao、Awakawa Takayoshi、Abe Ikuro
  • 雑誌名: RSC Chemical Biology 巻: 5 ページ: 299～311
  • DOI: 10.1039/D4CB00020J
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterization of Aziridine-Forming α-Ketoglutarate-Dependent Oxygenase in L-Isovaline Biosynthesis (2024)
  • 著者名/発表者名: Zhou Lu、Awakawa Takayoshi、Ushimaru Richiro、Kanaida Masahiro、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Organic Letters 巻: 26 ページ: 724～727
  • DOI: 10.1021/acs.orglett.3c04185
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lincosamide Antibiotics: Structure, Activity, and Biosynthesis (2024)
  • 著者名/発表者名: Mori Takahiro、Abe Ikuro
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 25 ページ: e202300840
  • DOI: 10.1002/cbic.202300840
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biosynthesis of enfumafungin-type antibiotic reveals an unusual enzymatic fusion pattern and unprecedented C-C bond cleavage (2024)
  • 著者名/発表者名: Cao, Z.-Q., Wang, G.-Q., Luo, R., Gao, Y.-H., Lv, J.-M., Qin, S.-Y., Chen, G.-D., Awakawa, T., Bao, X.-F., Mei, Q.-H., Yao, X.-S., Hu, D., Abe, I., Gao, H.
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 146 ページ: in press
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Discovery of (±)-penindolenes reveals an unusual indole ring cleavage pathway catalyzed by P450 monooxygenase (2024)
  • 著者名/発表者名: Meng, L.-H.,# Awakawa, T.,# Li, X.-M., Quan, Z., Yang, S.-Q., Wang, B.-G., Abe, I.
  • 雑誌名: Angew. Chem. Int. Ed. 巻: 63 ページ: in press
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Functional and structural dissection of glycosyltransferases underlying the glycodiversity of wolfberry-derived bioactive ingredients lycibarbarspermidines (2024)
  • 著者名/発表者名: Shao-Yang Li, Gao-Qian Wang, Liang Long, Jia-Ling Gao, Zheng-Qun Zhou, Yong-Heng Wang, Jian-Ming Lv, Guo-Dong Chen, Dan Hu, Ikuro Abe & Hao Gao
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 15 ページ: in press
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Molecular basis for carrier protein-dependent amide bond formation in the biosynthesis of lincosamide antibiotics (2023)
  • 著者名/発表者名: Mori Takahiro、Kadlcik Stanislav、Lyu Shuang、Kamenik Zdenek、Sakurada Kosuke、Mazumdar Aninda、Wang Huibin、Janata Jiri、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Nature Catalysis 巻: 6 ページ: 531～542
  • DOI: 10.1038/s41929-023-00971-y
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Back-to-back cycloadditions in nature (2023)
  • 著者名/発表者名: Ushimaru Richiro、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Nature Chemistry 巻: 15 ページ: 1056～1057
  • DOI: 10.1038/s41557-023-01282-2
  • 査読あり
• [雑誌論文] Mechanistic Analysis of Stereodivergent Nitroalkane Cyclopropanation Catalyzed by Nonheme Iron Enzymes (2023)
  • 著者名/発表者名: Ushimaru Richiro、Cha Lide、Shimo Shotaro、Li Xiaojun、Paris Jared C.、Mori Takahiro、Miyamoto Kazunori、Coffer Lindsay、Uchiyama Masanobu、Guo Yisong、Chang Wei-chen、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 24210～24217
  • DOI: 10.1021/jacs.3c08413
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structural and Mechanistic Insights into the C-C Bond-Forming Rearrangement Reaction Catalyzed by Heterodimeric Hinokiresinol Synthase (2023)
  • 著者名/発表者名: Ushimaru Richiro、Ding Yiling、Mori Takahiro、Miyamoto Kazunori、Uchiyama Masanobu、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 21966～21973
  • DOI: 10.1021/jacs.3c06762
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Multiple C-C Bond Cleavage Reactions Catalyzed by Tolyporphin Tetrapyrrole Biosynthetic Enzymes (2023)
  • 著者名/発表者名: Ushimaru Richiro、Lyu Jiaqi、Ling Meiqi、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 9834～9839
  • DOI: 10.1021/jacs.3c01993
  • 査読あり
• [雑誌論文] Assembling neuroactive alkaloids (2023)
  • 著者名/発表者名: Ushimaru Richiro、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 9 ページ: 1946～1947
  • DOI: 10.1038/s41477-023-01586-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Structure‐Function Analysis of the S‐Glycosylation Reaction in the Biosynthesis of Lincosamide Antibiotics (2023)
  • 著者名/発表者名: Mori Takahiro、Sun Xin、Kadlcik Stanislav、Janata Jiri、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Angewandte Chemie International Edition 巻: 62 ページ: e202304989
  • DOI: 10.1002/anie.202304989
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Catalytic Mechanism of Nonglycosidic C-N Bond Formation by the Pseudoglycosyltransferase Enzyme VldE (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsunoda Takeshi、Abuelizz Hatem A.、Samadi Arash、Wong Chin Piow、Awakawa Takayoshi、Brumsted Corey J.、Abe Ikuro、Mahmud Taifo
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 13 ページ: 13369～13382
  • DOI: 10.1021/acscatal.3c02404
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] C-N and C-S bond formation by cytochrome P450 enzymes (2023)
  • 著者名/発表者名: Ushimaru Richiro、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Trends in Chemistry 巻: 5 ページ: 526～536
  • DOI: 10.1016/j.trechm.2023.04.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unusual Dioxygen-Dependent Reactions Catalyzed by Nonheme Iron Enzymes in Natural Product Biosynthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Ushimaru Richiro、Abe Ikuro
  • 雑誌名: ACS Catalysis 巻: 13 ページ: 1045～1076
  • DOI: 10.1021/acscatal.2c05247
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genomic and Spectroscopic Signature-Based Discovery of Natural Macrolactams (2023)
  • 著者名/発表者名: Shin Yern-Hyerk、et al., Abe Ikuro、Moore Bradley S.、Fenical William、Yoon Yeo Joon、Cho Jang-Cheon、Lee Sang Kook、Oh Ki-Bong、Oh Dong-Chan
  • 雑誌名: Journal of the American Chemical Society 巻: 145 ページ: 1886～1896
  • DOI: 10.1021/jacs.2c11527
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Structure-based engineering of α-ketoglutarate dependent oxygenases in fungal meroterpenoid biosynthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Awakawa Takayoshi、Mori Takahiro、Ushimaru Richiro、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Natural Product Reports 巻: 40 ページ: 46～61
  • DOI: 10.1039/D2NP00014H
  • 査読あり
• [雑誌論文] Diverse enzymatic chemistry for propionate side chain cleavages in tetrapyrrole biosynthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Ushimaru Richiro、Lyu Jiaqi、Abe Ikuro
  • 雑誌名: Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology 巻: 50 ページ: kuad016
  • DOI: 10.1093/jimb/kuad016
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Unusual Enzyme Reactions in Natural Product Biosynthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: 4th International Conference on Natural Product Discovery and Development in the Genomic Era, San Diego, USA
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unusual Enzyme Reactions in Natural Product Biosynthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: PSJ-PSK Joint Symposium: Natural Products in Drug Discovery, the 143rd Annual Meeting of the Pharmaceutical Society of Japan, Sapporo, Japan
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unusual Enzyme Reactions in Natural Product Biosynthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: Gordon Research Conference, Enzymes, Coenzymes and Metabolic Pathways, Waterville Valley, NH, USA
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] b-NAD as a Building Block in Natural Product Biosynthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: Enzyme Engineering XXVII, Singapore, Singapore
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Unusual Enzyme Reactions in Natural Product Biosynthesis (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikuro Abe
  • 学会等名: New Zealand Society for Biochemistry and Molecular Biology (NZSBMB) 50th Anniversary Conference, Canterbury, New Zealand
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 東京大学大学院薬学系研究科天然物化学教室
  • URL: https://tennen.f.u-tokyo.ac.jp/head.htm