Calyculin A生合成機構の解析

2013 年度 実績報告書

• 研究領域: 生合成マシナリー：生物活性物質構造多様性創出システムの解明と制御
• 研究課題/領域番号: 25108705
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 脇本 敏幸 東京大学, 薬学研究科(研究院), 准教授 (70363900)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: Calyculin A / ポリケタイド / 海綿 / メタゲノム

研究概要

本研究では、伊豆半島、伊豆諸島近海に生息するチョコガタイシカイメン (Discodermia calyx)に含まれる、タンパク質脱リン酸化酵素阻害剤calyculin Aの生合成機構の解明を目指す。全長150 kbpに及ぶ推定calyculin A生合成遺伝子クラスターはI型ポリケタイド合成酵素と非リボソーム型ペプチド合成酵素をコードしており、そのmoduleの並びより推定される生合成産物の構造はcalyculin Aの構造と良い一致を示している。その上流にはリン酸基転移酵素に相同性を示すORFが３つ存在し、大腸菌をホストに用いてそれらの異種発現を試みた。海綿共生菌に由来するこれら酵素の異種発現は当初非常に困難であったが、シャペロンとの共発現系において可溶性タンパク質を得る事に成功した。次に推定される基質としてcalyculin A、calyculinamide A、dephosphonocalyculin A、dephosphonocalyculinamide Aを用いて酵素反応を試みた。その結果、３つのリン酸基転移酵素のうちの１つ、CalQがcalyculin Aとcalyculinamide Aを基質として認識し、新規生成物を与えた。その構造を解析したところ、calyculin Aのリン酸化体、phosphocalyculin Aであることが明らかになった。Phosphocalyculin Aは新規類縁体であったため、海綿抽出物を改めて精査したところ、intactな海綿の主要代謝産物であり、phosphocalyculin Aがcalyculin Aの生合成最終産物であることが明らかになった。

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

推定calyculin A生合成遺伝子クラスターの上流にコードされる３つのリン酸基転移酵素に着目し、機能解析を進めた。その結果、１つのリン酸基転移酵素CalQが予想外の生成物を与えた。当初我々はcalyculin Aが生合成の最終産物であると信じて疑わなかったが、実はCalQによる生成物である二リン酸化体、phosphocalyculin Aが生合成の最終産物であることが明らかになった。この化合物がこれまで海綿抽出物から見出されてこなかった理由は、海綿中に存在する活性化酵素ホスファターゼが抽出過程においてphosphocalyculin Aからcalyculin Aへ変換していたためである。生物が産生する低分子生物活性物質は最終産物が生合成されて終わりとのイメージがあるが、海綿動物由来の生物活性物質は共生系が起源であるため、共生微生物が作り、それをホストが利用、制御を行っている可能性が高く、静的な生産場ではない。むしろ共生者とホストの間で供給、制御機構が存在しており、ダイナミックで動的な物質のやりとりが行われていると考えている。このように予想外の結果でありながら、これまで見過ごされてきた天然物生合成の動的な機能制御機構を提示することができた。

今後の研究の推進方策

Calyculin Aの骨格構築や官能基変換に関わる生合成酵素の機能解析は未だ達成できていない。今後はリン酸基転移酵素以外の候補となるORFの異種発現、機能解析を進める。またニトリル形成機構に関しては、他の海綿類から単離報告のあるcalyculin類縁体の多くが末端官能基としてニトリルではなく、アミドを有していることから、アミドを前駆体としてニトリルが生じると予測している。そこで、calyculinamideを含む他種の海綿より生合成遺伝子クラスターの探索を行い、D. calyx由来のcalyculin A生合成遺伝子クラスターとの比較解析を行う。修飾酵素の構成に違いが認められれば、ニトリル形成に関わるORFとして解析候補に用いることができる。Calyculin Aは未培養微生物である海綿共生菌によって生合成されることから、中間体の補足などが不可能なため、その生合成機構解析は非常に困難であるが、多角的な手法を用いて解析を進めていく。

研究成果

• [雑誌論文] An environmental bacterial taxon with a large and distinct metabolic repertoire (2014)
  • 著者名/発表者名: M. C. Wilson, T. Mori, C. Ruckert, A. R. Uria, M. J. Helf, K. Takada, C. Gernert, U. Steffens, N. Heycke, S. Schmitt, C. Rinke, E. J. N. Helfrich, A. O. Brachmann, C. Gurgui, T. Wakimoto, M. Kracht, M. Crusemann, U. Hentschel, I. Abe, S. Matsunaga, J. Kalinowski, H. Takeyama, J. Piel
  • 雑誌名: Nature 巻: 506 ページ: 58-62
  • DOI: 10.1038/nature12959
  • 査読あり
• [雑誌論文] Revised structure of cyclolithistide A, a cyclic depsipeptide from the marine sponge Discodermia japonica (2014)
  • 著者名/発表者名: H. Tajima, T. Wakimoto, K. Takada, Y. Ise, I. Abe
  • 雑誌名: J. Nat. Prod. 巻: 77 ページ: 154-158
  • DOI: 10.1021/np400668k
  • 査読あり
• [雑誌論文] Total synthesis of SB-203207 (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Hirooka, K. Ikeuchi, Y. Kawamoto, Y. Akao, T. Furuta, T. Asakawa, M. Inai, T. Wakimoto, T. Kan, T. Fukuyama
  • 雑誌名: Org. Lett. 巻: 16 ページ: 1646-1649
  • DOI: 10.1021/ol5002973
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spiro-ring formation is catalyzed by a multifunctional dioxygenase in austinol biosynthesis (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Matsuda, T. Awakawa, T. Wakimoto, I. Abe
  • 雑誌名: J. Am. Chem. Soc. 巻: 135 ページ: 10962-10965
  • DOI: 10.1021/ja405518u
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pyranonigrin E: A PKS-NRPS hybrid metabolite from Aspergillus niger identified by genome mining (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Awakawa, X.-Y. Yang, T. Wakimoto, I. Abe
  • 雑誌名: ChemBioChem 巻: 14 ページ: 2095-2099
  • DOI: 10.1002/cbic.201300430
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cycloforskamide, a cytotoxic macrocyclic peptide from the sea slug Pleurobranchus forskalii (2013)
  • 著者名/発表者名: K. C. Tan, T. Wakimoto, K. Takada, T. Ohtsuki, N. Uchiyama, Y. Goda, I. Abe
  • 雑誌名: Toxicon 巻: 72 ページ: 1-4
  • DOI: 10.1016/j.toxicon.2013.05.021.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Indole-porphyrin hybrids produced by metagenomics (2013)
  • 著者名/発表者名: X.-Y. Yang, T. Wakimoto, Y. Takeshige, R. He, Y. Egami, T. Awakawa, I. Abe
  • 雑誌名: Bioorg. Med. Chem. Lett. 巻: 23 ページ: 3810-3813
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2013.04.076
  • 査読あり
• [雑誌論文] Induced production of novel prenyldepside and coumarins in endophytic fungi Pestalotiopsis acaciae (2013)
  • 著者名/発表者名: X.-L. Yang, T. Awakawa, T. Wakimoto, I. Abe
  • 雑誌名: Tetrahedron Lett. 巻: 54 ページ: 5814-5817
  • 査読あり
• [雑誌論文] Induced production of the novel glycolipid ustilagic acid C in the plant pathogen Ustilago maydis (2013)
  • 著者名/発表者名: X.-L. Yang, T. Awakawa, T. Wakimoto, I. Abe
  • 雑誌名: Tetrahedron Lett. 巻: 54 ページ: 3655-3657
  • 査読あり
• [雑誌論文] Induced biosyntheses of a novel butyrophenone and two aromatic polyketides in the plant pathogen Stagonospora nodorum (2013)
  • 著者名/発表者名: X.-L. Yang, T. Awakawa, T. Wakimoto, I. Abe
  • 雑誌名: Nat. Prod. Bioprospect. 巻: 3 ページ: 141-144
  • 査読あり
• [雑誌論文] Epigenetic modifier-induced biosynthesis of novel fusaric acid derivatives in endophytic fungi from Datura stramonium L. (2013)
  • 著者名/発表者名: H.-J. Chen, T. Awakawa, J.-Y. Sun, T. Wakimoto, I. Abe
  • 雑誌名: Nat. Prod. Bioprospect. 巻: 3 ページ: 20-23
  • 査読あり
• [学会発表] A bacterial symbiont of Japanese marine sponge Discodermia calyx, produces biologically active metabolites (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Wakimoto, Y. Egami, Y. Nakashima, I. Abe
  • 学会等名: 9th World Sponge Conference
  • 発表場所: Perth, Australia
  • 年月日: 20131104-20131108
  • 招待講演
• [学会発表] A bacterial symbiont of Japanese marine sponge Discodermia calyx, produces biologically active metabolites (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Wakimoto, Y. Egami, Y. Nakashima, I. Abe
  • 学会等名: The 14th International Symposium of Marine Natural Products
  • 発表場所: La Toja, Spain
  • 年月日: 20130915-20130920
  • 招待講演
• [学会発表] 海洋生物に由来する医薬品資源の開拓と利用を目指して
  • 著者名/発表者名: 脇本敏幸
  • 学会等名: 第34回和漢医薬学総合研究所 特別セミナー
  • 発表場所: 富山県富山市
  • 招待講演
• [学会発表] 海洋生物に由来する医薬品資源の開拓と利用を目指して
  • 著者名/発表者名: 脇本敏幸
  • 学会等名: 福井県立大学 生物資源学特別セミナー
  • 発表場所: 福井県福井市
  • 招待講演
• [学会発表] 海綿共生微生物を起源とする生理活性物質の生産機構解析
  • 著者名/発表者名: 脇本敏幸
  • 学会等名: 第1回薬学の有機化学を考えるin北海道
  • 発表場所: 北海道札幌市
  • 招待講演