代謝経路の進化仮説の根拠となる古細菌におけるリジン生合成経路の解明

超好熱性古細菌Thermococcus kodakarensisにおいて、リジンがLysWというアミノ基キャリアタンパク質を用いる経路で生合成されることを明らかにし、さらには一連の生合成酵素群がリジンのみならずオルニチン生合成にも用いられることを示しました。また、リジンとオルニチンの生合成の初発反応を担う酵素LysX/ArgXと反応産物との複合体の結晶構造を決定し、結晶構造に基づく変異導入酵素の解析から、生合成酵素の寛容な基質特異性の構造的要因を示すことができました。代謝経路の進化仮説において、ゲノムサイズが小さな始原生物においては、基質特異性の寛容な酵素群が複数の化合物の生合成を担うと考えられており、本研究によりこのような原始的な代謝経路の実験的証拠を提示することができました。

図１　T. thermophilus, S. acidocaldarius, T. kodakarensisにおけるリジン・オルニチン生合成経路（拡大画像↗）

図２　T. kodakarensisのLysX/ArgXとLysW-γ-AAA, ADPとの複合体の結晶構造（拡大画像↗）

一般にバクテリアはアスパラギン酸を初発物質としてジアミノピメリン酸を経由してリジンを生合成しますが、当研究グループでは、高度好熱菌Thermus thermophilusがα-アミノアジピン酸（AAA）を経由する新規な経路でリジンを生合成することを明らかにしています。この新規リジン生合成経路では小タンパク質LysWが、生合成中間体のアミノ基の保護修飾基としてだけでなく、効率的な生合成を可能にするキャリアタンパク質（アミノ基キャリアタンパク質（注2））としても働くことを示してきました（Nat. Chem. Biol. (2009)、J. Biol. Chem. (2015)）。また、始原生物により近縁であるとされる古細菌の一種であるSulfolobus acidocaldariusにおいては、LysWがリジンだけでなくアルギニン生合成にも用いられていることがわかっています（Nat. Chem. Biol. (2013)）。

今回、東京大学生物生産工学研究センターの西山真教授のグループは、京都大学大学院工学研究科の跡見晴幸教授との共同研究により、超好熱性古細菌Thermococcus kodakarensisにおいても、このLysWを用いた生合成システムが存在し、リジンだけでなく、アルギニンの前駆体となるオルニチンの生合成にも利用されることを、生合成酵素の機能解析や、試験管内での生合成の再構成により明らかにしました（図1）。代謝経路の進化仮説のうち、パッチワーク仮説（注3）では、ゲノムサイズの小さな始原生物においては、基質特異性が寛容な酵素群によって複数の化合物が生合成されていたとされ、遺伝子重複とその後に起こる機能分化によって、個々の化合物に特化した生合成経路が生じたと考えられています。始原生物に近縁であるとされるT. kodakarensisにおいてリジンとオルニチンが同一の酵素群で生合成されることは、パッチワーク仮説における原始的な代謝経路の存在を示す証拠となると考えられます。

さらに、リジンとオルニチンの生合成の初発段階を担う二機能性酵素LysX/ArgXの結晶構造を、反応産物であるLysW-γ-AAAとADPとの複合体で決定することに成功しました。この結晶構造によりLysXファミリータンパク質が、基質としてAAAをどのように認識するかを初めて明らかにすることができました（図2）。すでに構造が決定されている、AAAを基質としてリジン生合成で機能するLysXと、グルタミン酸を基質としてアルギニン（オルニチン）生合成で機能するArgXとの構造・配列比較により、T. kodakarensisのLysX/ArgXの持つ寛容な基質特異性の構造的要因を明らかにしました。また、アミノ酸変異の導入により、二機能性をもつLysX/ArgXを、リジンやアルギニン生合成に特化したLysXやArgXに「進化」させることにも成功し、LysXファミリータンパク質の分子進化に関しての知見を得ることができました。

最近の当研究グループの研究成果により、LysW型のアミノ基キャリアタンパク質を用いる生合成システムが、リジンやアルギニンの生合成といった一次代謝のみならず、放線菌における二次代謝産物の生合成にも用いられることが明らかになってきました（Nat. Chem. Biol. (2016)）。本研究成果によって、LysW型アミノ基キャリアタンパク質を用いる多様な生合成経路の理解につながる構造基盤や進化的知見を得ることができました。