メガデヒドロゲナーゼ複合体が牽引するエネルギー獲得代謝モードとその制御

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H02236
• 配分区分: 補助金
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 田中 寛 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (60222113)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2026-03-31
• キーワード: エネルギー代謝制御 / メガデヒドロゲナーゼ / バクテリア / ミトコンドリア / PDH / OGDH / 酸素消費 / 電子伝達系

研究実績の概要

酢酸オーバーフローを欠損した大腸菌ではグルコース枯渇後に増殖が強く抑制され、その後に回復する二段階増殖が観察される。この原因は酢酸オーバーフローの欠損によりOGDHの活性化が大きく抑制されることにあり、実際、OGDH欠損株では二段階目の増殖が全く起こらない。本年度、これら増殖過程での酸素消費量について培地中の溶存酸素を測定することで検討を行い、グルコース枯渇後の酸素消費にOGDHが必須であることが判明した。また、PDHとOGDHの両方を欠損するE3（Lpd）欠損株では培養を通じて酸素消費が消失し、これは２種のNADHデヒドロゲナーゼを欠損した変異株とよく似た性質といえる。OGDH欠損株においても、グルコース枯渇後にリンゴ酸を添加すると増殖や酸素消費が回復することが見出されている。この回復はリンゴ酸からピルビン酸を生成するリンゴ酸酵素（Malic Enzyme）欠損株では見られないことが判明したことから、リンゴ酸はピルビン酸を介してPDH活性を維持するのに使われていることが考えられる。以上のことから、少なくとも２種のメガデヒドロゲナーゼ（MDH）のどちらかが活性を維持していることが増殖や、電子伝達系を介した酸素消費に必須であると言える。TCA回路のOGDH以外のNADHを生成する酵素、ICDやSDHの欠損株では同様の表現型は観察されず、このような性質はMDHに特有の性質ということができる。これはMDHが可溶性酵素であるにも拘らず、電子伝達系の一部であるかのような性質であり、膜電子伝達系との相互作用などを今後解明していく必要がある。

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

当初の研究計画ではPDHおよびOGDHの活性調節機構の解明を中心課題としていたが、今年度の研究により、PDHとOGDHの両方に共通する新規性の高い重要な役割、すなわち電子伝達系との関わりが見えてきた。この性質は大腸菌のみならず、他のバクテリアやミトコンドリアでも共通の可能性が高く、当初予想していたよりも新しい発見に繋がりそうな局面といえる。今後の解析で是非ともその分子機構を解明する必要がある。

今後の研究の推進方策

MDHが膜電子伝達系に電子を流し込むGateとして機能している可能性が見えてきている。E1E2E3サブユニットの複合体形成が既知であるのに対し、NDHのような膜電子伝達コンポーネントとの相互作用は全く知られていないことから、関連の膜タンパク質との相互作用を調べていく必要がある。まず、代表的な膜タンパク質、およびE3サブユニットに相互作用検出用のタグを付加し、相互作用する相手をスクリーニングしていく。Split型のluciferaseやGFPの使用を検討する。また、グルコース枯渇の前後でPDH-E1E2からOGDH-E1E2にE3のパートナーが切り替えられている可能性について、同様の相互作用解析により検討していく。枯草菌や酵母ミトコンドリアについても、同様のポイントについて検討していく予定である。

研究成果

• [雑誌論文] ppGpp accumulation reduces the expression of the global nitrogen homeostasis-modulating NtcA regulon by affecting 2-oxoglutarate levels (2023)
  • 著者名/発表者名: Ryota Hidese, Ryudo Ohbayashi, Yuichi Kato, Mami Matsuda, Kan Tanaka, Sousuke Imamura, Hiroki Ashida, Akihiko Kondo, *Tomohisa Hasunuma
  • 雑誌名: Commun. Biol. 巻: 6 ページ: 1285
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05632-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DnaK2 mediates a negative feedback regulation of the heat shock responsive Hik2-Rre1 two-component system in the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942 (2023)
  • 著者名/発表者名: **Hazuki Hasegawa, **Ikki Kobayashi, Nachiketa Bairagi, Satoru Watanabe, *Kan Tanaka
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 65 ページ: 120-127
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad129
  • 査読あり
• [雑誌論文] Expression of bacterial phosphite dehydrogenase confers phosphite availability in a unicellular red alga Cyanidioschyzon merolae (2023)
  • 著者名/発表者名: Ikki Kobayashi, Sousuke Imamura, Ryuichi Hirota, Akio Kuroda, *Kan Tanaka
  • 雑誌名: J. Gen. Appl. Microbiol. 巻: 5 ページ: 287-291
  • DOI: 10.2323/jgam.2023.08.002
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Coordination of apicoplast transcription in a malaria parasite by internal and host cues. (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuki Kobayashi, Keisuke Komatsuya, Sousuke Imamura, Tomoyoshi Nozaki, Yoh-ichi Watanabe, Shigeharu Sato, Antony N. Dodd, Kiyoshi Kita, *Kan Tanaka
  • 雑誌名: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 巻: 120 ページ: e2214765120
  • DOI: 10.1073/pnas.2214765120
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Low-temperature and circadian signals are integrated by the sigma factor SIG5 (2023)
  • 著者名/発表者名: Dora L. Cano-Ramirez, Paige E. Panter, Tokiaki Takemura, Tara Saskia de Fraine, Luíza Lane de Barros Dantas, Richard Dekeya, Thiago Barros-Galvão, Pirita Paajanen, Annalisa Bellandi, Tom Batstone, Bethan F. Manley, Kan Tanaka, Sousuke Imamura, Keara A. Franklin, Heather Knight and *Antony N. Dodd
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 9 ページ: 661-672
  • DOI: 10.1038/s41477-023-01377-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A high-temperature sensitivity of Synechococcus elongatus PCC 7942 due to a tRNA-Leu mutation (2023)
  • 著者名/発表者名: Hazuki Hasegawa, Yu Kanesaki, Satoru Watanabe and *Kan Tanaka
  • 雑誌名: J. Gen. Appl. Microbiol. 巻: 69 ページ: 167-174
  • DOI: 10.2323/jgam.2023.02.001
  • 査読あり / オープンアクセス