天然物の多様性を生み出す生合成マシナリー:フォガシン生合成を担うII型ポリケチド合成酵素に見出されたユニークな戦略

発表者: 佐藤啓 (東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命工学専攻博士課程)
勝山陽平 (東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命工学専攻准教授)
横田康介(東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命工学専攻修士課程;当時)
淡川孝義(東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命工学専攻博士課程;当時)
手塚武揚 (東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命工学専攻助教)
大西康夫 (東京大学大学院農学生命科学研究科応用生命工学専攻教授)

発表のポイント

希少放線菌が生産する新規二次代謝産物(フォガシンB, C)を同定しました。
フォガシンの生合成に必要な遺伝子群の機能解析を行いました。
フォガシンの生合成において、生産物の多様性を生み出すためのユニークな戦略が用いられていることを明らかにしました。

発表概要

東京大学大学院農学生命科学研究科の研究グループは、放線菌(注1)のゲノムに、特徴的なII型ポリケチド合成酵素遺伝子クラスター(注2, 3, 4)があることを見出し、これがフォガシンおよびその新規類縁体の生合成を担うことを突き止めました。さらに、フォガシン類の生合成には、(i)これまでI型ポリケチド合成酵素(注2)のみで知られてきたHCSカセット(注5)を使ったポリケチド鎖の修飾システムが利用されていること、(ii)本遺伝子クラスターにコードされた2つのポリケチド合成酵素本体(KS-CLF複合体)(注3)が、それぞれ通常の基質と修飾を受けた基質を利用し、2つのポリケチド鎖の合成を分担していることを明らかにしました。本研究はII型ポリケチド合成酵素による天然物生合成において、生産物の多様性を生み出すユニークな戦略を明らかにした点で重要です。

※なお、本研究論文は査読の結果、Very Important Paper (VIP) と評価され、掲載号のCover Picture(図1)に採用されました。

発表内容

図1　ChemBioChem誌のCover Picture

図2　HCSカセットと2つのポリケチド合成酵素本体(KS-CLF複合体)が関与して、生産物の多様性が生み出される

　放線菌(注1)はさまざまな二次代謝産物(注6)を生産しますが、それらの多くが種々の生理活性を持つため、医薬品資源として非常に重要です。このため、二次代謝産物の生合成研究は有機化学・酵素学の発展に寄与するとともに、医薬品開発という応用面からもその意義は大きいと言えます。ポリケチド(注2)は二次代謝産物の中でも重要な化合物群であり、ポリケチド合成酵素(注3)によって生合成されたあと、さまざまな修飾を受けます。ポリケチド合成酵素は、その構造(サブユニット構造、ドメイン構造)から、I型、II型、III型に大別されます。

　我々の研究室では、さまざまな二次代謝産物の生合成研究を行っていますが、その戦略は主に2つあります。一つは、すでに単離・構造決定された化合物に着目し、生産菌からその生合成遺伝子クラスター(注4)を取得して、そこにコードされる個々の生合成酵素の機能を解明していく研究であり、もう一つは、微生物ゲノム配列から特徴のある二次代謝産物生合成遺伝子クラスターを見つけ、それによって生産される化合物を明らかにするとともに、個々の生合成酵素の機能を解析していく研究です。今回の研究は後者であり、希少放線菌Actinoplanes missouriensisのゲノム中に、HCSカセット(注5)と呼ばれる遺伝子群と近接したII型ポリケチド合成酵素遺伝子クラスターを見出したところから研究がスタートしました。

　A. missouriensisをさまざな培地で培養し、本菌が生産するポリケチドと思われる化合物を徹底的に調べた結果、他の放線菌での生産が報告されていたフォガシンという化合物が生産されていることが明らかになりました。また、これまでに報告のない2つのフォガシン類縁体が生産されていることもわかり、その構造を決定し、フォガシンB、フォガシンCと命名しました。フォガシンBはフォガシンにラムノースという糖が付加されたものであり、フォガシンCはポリケチド鎖がβアルキル化(注5)という特殊な修飾を受けたものでした。HCSカセットはI型ポリケチド合成酵素が合成するポリケチド鎖のβアルキル化に関与しているため、フォガシンCの生合成にもHCSカセットが関与していることが示唆され、注目している遺伝子クラスターによってフォガシンが生産される可能性が高いことがわかりました。実際、この遺伝子クラスター中の遺伝子の破壊によりフォガシン類の生産が消失したことから、この遺伝子クラスターがフォガシン類の生産に関与していることが証明されました。

　この遺伝子クラスターには、ポリケチド合成酵素本体(KS-CLF複合体)(注3)が2つコードされており、これもこの遺伝子クラスターの特徴です。そこで、どちらのKS-CLF複合体がフォガシンの生合成に関与しているかについて調べました。それぞれのKS遺伝子破壊株を作製してその生産物を調べることや、それぞれのKS-CL複合体遺伝子をHCSカセットとともに異種発現させる株を作製してその生産物を調べることによって、2つのポリケチド合成酵素本体の機能比較を行った結果、一つは通常のスターター基質を好み、もう一方はHCSカセットによって作られたβアルキル化を受けた特殊なスターター基質を好むことが明らかになりました(図2)。一方、ポリケチドを成熟させるために重要な修飾反応は、いずれのスターター基質から合成されたポリケチド鎖に対しても同じ酵素群が用いられていると考えられます(図2)。つまり、フォガシンの生合成遺伝子クラスターは、βアルキル化を受けた特殊なスターター基質を合成する酵素セットとそれを好むKS-CLF複合体をコードする遺伝子群を獲得することで、従来のフォガシンに加えて新たなフォガシン類縁体を生合成できるように進化してきたと考えることができます。

　以上のように、フォガシン生合成マシナリーは、βアルキル化を受けた特殊なスターター基質を合成する能力を備えており、さらに、この特殊なスターター基質と通常のスターター基質のそれぞれを好んで用いる2つのポリケチド合成酵素本体(KS-CLF複合体)を有していることが明らかになりました(図2)。これは、天然物生合成において生産物の多様性を生み出すためのユニークな戦略の一つと言えます。

発表雑誌

雑誌名

Chembiochem
論文タイトル: Involvement of β-alkylation machinery and two sets of ketosynthase–chain length factors in the biosynthesis of fogacin polyketides in Actinoplanes missouriensis
著者: Kei Sato, Yohei Katsuyama, Kousuke Yokota, Takayoshi Awakawa, Takeaki Tezuka, Yasuo Ohnishi
DOI番号: 10.1002/cbic.201800640
論文URL: https://doi.org/10.1002/cbic.201800640

問い合わせ先

東京大学大学院農学生命科学研究科　応用生命工学専攻　醗酵学研究室
教授　大西　康夫(おおにし　やすお)
Tel: 03-5841-5123
Fax: 03-5841-8021
E-mail:ayasuo<アット>mail.ecc.u-tokyo.ac.jp　<アット>を@に変えてください。
准教授　勝山　陽平(かつやま　ようへい)
Tel: 03-5841-5124
Fax: 03-5841-8021
E-mail:ayasuo<アット>mail.ecc.u-tokyo.ac.jp　<アット>を@に変えてください。
研究室URL:http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/hakko/

用語解説

注1　放線菌
真正細菌の一種。細菌でありながら、菌糸を放射状に伸ばしながら生育するために放線菌と名付けられた。医薬品をはじめ、さまざまな有用天然化合物を生産することで知られている。
注2　ポリケチド
酢酸ユニットが複数縮合することにより生合成される化合物の一群。脂肪酸と類似の機構で生合成されるが、脂肪酸の生合成に用いられる反応の多くがポリケチドの生合成においてはスキップされるため、反応性の高い化合物となり、様々な生理活性を持つようになる。
注3　ポリケチド合成酵素
ポリケチドの生合成の中でも特に重要な反応を触媒する酵素。アシルチオエステルに脱炭酸を伴いながらマロニルチオエステルを縮合することで、β-ケトアシルチオエステルを合成する反応を触媒する。この反応を複数回触媒することで反応性の高いケト基が連なった化合物を生合成する。ポリケチド合成酵素はその構造に応じて、I型、II型、III型の3種に分けることができる。ポリケチドの合成には最低でもケト合成酵素 (KS)、アシル基転移酵素 (AT)、アシル基運搬タンパク質 (ACP)が必要となる。これらの機能単位が一続きの巨大なタンパク質を形成しているものをI型、個々のタンパク質として存在しているものをII型と呼ぶ。III型はATやACPを必要としない特殊なポリケチド合成酵素であり、KS二量体が単独で鎖伸長を触媒できる。また、II型ポリケチド合成酵素はKS、AT、ACP以外にも、鎖長決定因子 (CLF) と呼ばれるタンパク質を必要とする。CLFはKSの変異体であり、ポリケチド合成能力を失っているが、KSと複合体を形成しKSの反応を助けるとともにその最終産物の鎖長を制御する。KS-CLF複合体はII型PKSにおいてポリケチド合成の鍵となる反応を触媒するため、本文中では「ポリケチド合成酵素本体」と表現している。
注4　二次代謝産物生合成遺伝子クラスター
微生物において、ある特定の二次代謝産物の生合成遺伝子は、通常、ゲノム上で一箇所にまとまってコードされている。このまとまってコードされた一連の二次代謝産物生合成遺伝子群のことを二次代謝産物生合成遺伝子クラスターと呼ぶ。
注5　HCSカセット
HCSはヒドロキシメチルグルタリル-補酵素A (CoA) 合成酵素の略称。HCSはコレステロールの生合成に重要な酵素の1つであり、アセトアセチル-CoAのβ位のケト基にアセチル-CoAを縮合することで新しい炭素-炭素結合を作る反応を触媒する。HCSカセットはHCSと類似した機能を持つ酵素遺伝子と他の機能を持ついくつかの酵素遺伝子から構成される。これらの酵素が共同して働くことでポリケチド生合成中間産物である、β-ケトアシルチオエステルのβ位のケト基がアルキル基に置き換えられる。
注6　二次代謝産物
生物が生産する種々の化合物のうち、生命活動に必須なアミノ酸や核酸などを一次代謝産物、通常の生育には特に必須ではないものを二次代謝産物という。抗生物質や色素などがその代表例である。