メロテルペノイド生合成アセンブリーラインの解明と制御

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project Area: Biosynthetic machinery: Deciphering and regulating the system for bioactive metabolite diversification
• Project/Area Number: 22108004
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 阿部 郁朗 東京大学, 大学院・薬学系研究科, 教授 (40305496)
• Keywords: メロテルペノイド / 生合成 / 酵素 / 遺伝子 / 生合成クラスター / 遺伝子クラスター

Research Abstract

本研究では、人為的な機能制御と分子多様性創出の格好のモデルともいえる、糸状菌由来メロテルペノイド生合成遺伝子クラスターをとりあげる。テルペノイドとポリケタイドのハイブリッド型化合物であるメロテルペノイドは、テルペノイドとポリケタイドそれぞれの多様性を相乗した分子構造多様性を有する可能性を秘めている。有機化学を基盤として、分子生物学や構造生物学、タンパク工学の技術などを駆使することにより、メロテルペノイド生合成マシナリーを酵素遺伝子レベルで解明し、複雑多様な分子構造の構築原理を明らかにすることを目的とする。昨年度は、Aspergillus terreus由来のterretonin生合成経路の解明をめざした。数多くのterretonin類縁体が天然から単離されており、その中には医薬品資源として期待されるものも含まれる。これまで、A.terreusのゲノム情報を元にterretonin合成遺伝子クラスターが見出され、ポリケタイド合成酵素(Trt4)、プレニル基転移酵素(Trt2)によって、farnesyl-DMOAが合成されることが示されている。Trt4、Trt2に加えて、flavin依存型酸化酵素(Trt8)、環化酵素(Trt1)をAspergillus oryzae NSAR1株にて発現した。その結果、Trt8によって、farnesyl-DMOAが酸化され、epoxyfarnesyl-DMOAが生成した。一方、Trt1によって環化した化合物は検出されなかった。そこで、環化前にcarboxyl基がメチル化される可能性を考え、メチル化酵素(Trt5)を、Trt1,2,4,8発現系に加えて発現した。その結果、環化後の生成物であるpreterretoninが生成した。よって、Trt5によるcarboxyl基のメチルエステル化が、環化反応に必須であることが判明した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

初期の目的をほぼ達成することができている。

Strategy for Future Research Activity

今年度は、特に、基質特異性と潜在的触媒能力を利用したコンビナトリアル生合成に焦点をあてる。二次代謝酵素が示す最大の特徴の一つに、その寛容な基質特異性と潜在的触媒能力が挙げられる。従って、こうした寛容な基質特異性の甘さを利用して、一連の人工基質を酵素に作用させることにより、非天然型新規化合物ライブラリーの構築が可能になる。天然型基質の場合と同様な酵素反応の進行が予想される一方で、基質の構造に対応して、活性部位におけるフォールディング・コンフォメーションが微妙に影響を受け、在来見られない骨格を生成する可能性も十分期待される。また、今年度は新たに、立体構造情報に基づく酵素触媒機能の改変に着手する。酵素触媒機能の制御を行う上で、正確な立体構造情報は不可欠である。そこでPKSやFMO、また、7回膜貫通型のCYCについて、組み替え酵素の結晶化とX線結晶構造解析を試みる。立体構造情報に基づく合理的な変異の導入により、酵素触媒機能の拡張と最適化をはかり、天然物を凌ぐ生体触媒の創製をめざす。

Research Products

• [Journal Article] Biosynthesis: an HR-PKS stereo surprise (2012)
  • Author(s): Abe, I.
  • Journal Title: Nature Chemical Biology Volume: 8 Pages: 322-323
  • DOI: 10.1038/nchembio.924
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Novel applications of plant polyketide synthases (2012)
  • Author(s): Abe, I.
  • Journal Title: Current Opinion in Chemical Biology Volume: 16 Pages: 179-185
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Expression, purification, and crystallization of an indole prenyltransferase from Aspergillus fumigatus (2012)
  • Author(s): Chen, J., Morita, H., Kato, R., Noguchi, H., Sugio, S., Abe, I.
  • Journal Title: Acta Crystallogr., Sect.F : Struct.Biol.Cryst.Commun. Volume: 68 Pages: 355-358
  • DOI: doi:10.1107/S1744309112004964
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Benzophenone synthase from Garcinia mangostana L.Pericarp (2012)
  • Author(s): Nualkaew, N., Morita, H., Shimokawa, Y., Kinjo K., Kushiro, T., De-Eknamkul, W., Ebizuka, Y., Abe, I.
  • Journal Title: Phytochemistry Volume: 77 Pages: 60-69
  • DOI: 10.1016/j.phytochem.2012.02.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Benzalacetone synthase (2012)
  • Author(s): Shimokawa, Y., Morita, H., Abe, I.
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 3(Article) Pages: 57
  • DOI: doi:10.3389/fpls.2012.00057
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Identification of a key prenyltransferase involved in biosynthesis of the most abundant fungal meroterpenoids derived from 3,5-dimethylorsellinic acid (2012)
  • Author(s): Itoh, T., Tokunaga, K., Radhakrishnan, E.K., Fujii, I., Abe, I., Ebizuka, Y., Kushiro, T.
  • Journal Title: ChemBioChem Volume: 13(in press)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthesis of unnatural alkaloid scaffolds by exploiting plant polyketide synthase (2011)
  • Author(s): Morita, H., Yamashita, M., Shi, S.-P., Wakimoto, T., Kondo, S., Kato, R., Sugio, S., Kohno, T., Abe, I.
  • Journal Title: Proc.Natl.Acad.Sci.USA Volume: 108 Pages: 13504-13509
  • DOI: doi:10.1073/pnas.1107782108
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cytotoxic tetramic acid derivative produced by a plant type III polyketide synthase (2011)
  • Author(s): Wakimoto, T., Mori, T., Morita, H., Abe, I.
  • Journal Title: J.Am.Chem.Soc. Volume: 133 Pages: 4746-4749
  • DOI: DOI:10.1021/ja2006737
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Furan fatty acid as an anti-inflammatory component from green-lipped mussel Perna canaliculus (2011)
  • Author(s): Wakimoto, T., Kondo, H., Nii, H., Kimura, K., Egami, Y., Oka, Y., Yoshida, M., Kida, E., Ye, Y.-p., Akahoshi, S., Asakawa, T., Matsumura, K., Ishida, H., Nukaya, H., Tsuji, K., Kan, T., Abe, I.
  • Journal Title: Proc.Natl.Acad.Sci.USA Volume: 108 Pages: 17533-17537
  • DOI: doi:10.1073/pnas.1110577108
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Crystallization and preliminary X-ray analysis of 4-coumarate : CoA ligase from Arabidopsis thaliana (2011)
  • Author(s): Morita, H., Mori, T., Wanibuchi, K., Kato, R., Sugio, S., Abe, I.
  • Journal Title: Acta Crystallogr., Sect.F : Struct.Biol.Cryst.Commun. Volume: 67 Pages: 409-411
  • DOI: doi:10.1107/S1744309111002181
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enzymatic formation of an aromatic dodecaketide by engineered plant polyketide synthase (2011)
  • Author(s): Wanibuchi, K., Morita, H., Noguchi, H., Abe, I.
  • Journal Title: Bioorg.Med.Chem.Lett. Volume: 21 Pages: 2083-2086
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2011.01.135
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular cloning, modeling and site-directed mutagenesis of type III polyketide synthase from Sargassum binderi (2011)
  • Author(s): Baharum, H., Morita, H., Tomitsuka, A., Lee, F.-C., Ng, K.-Y., Rahim, R.A., Abe, I., Ho, C.-L.
  • Journal Title: Marine Biotech. Volume: 13 Pages: 845-856
  • DOI: DOI:10.1007/s10126-010-9344-5
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 二次代謝酵素の機能制御 (2012)
  • Author(s): 阿部郁朗
  • Organizer: 第132回日本薬学会年会シンポジウム「酵素は何をしているのか?最新科学が解き明かす新機構」
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2012-03-30
• [Presentation] Engineering Plant Polykedite Synthases (2011)
  • Author(s): Abe, I.
  • Organizer: Phytochemical Society of North America 50^<th> Anniversary Symposium
  • Place of Presentation: Kohala Coast, Hawaii, USA
  • Year and Date: 20111210-20111215
• [Presentation] Engineering Plant Polykedite Synthases (2011)
  • Author(s): Abe, I.
  • Organizer: Enzyme Engineering XXI
  • Place of Presentation: Veil, Colorado, USA
  • Year and Date: 20110918-20110922
• [Remarks]
  • URL: http://www.f.u-tokyo.ac.jp/~tennen/head.htm