東大、放線菌から新しいトリプトファン代謝経路を発見

東京大学(東大)は、バクテリアの一種である放線菌から、新しいトリプトファン代謝経路を発見したこと、ならびに同代謝経路によってニトリル基を持った新しいインドール誘導体が生産されることを明らかにしたと発表した。

同成果は同大大学院農学生命科学研究科の尾崎太郎 特任助教(当時 同大大学院農学生命科学研究科応用生命工学専攻博士課程3年、日本学術振興会特別研究員(DC1))、東大 生物生産工学研究センターの西山真 教授、同 葛山智久 准教授らによるもの。詳細は「The Journal of Biological Chemistry」に掲載された。

放線菌は、ストレプトマイシンなどの抗生物質をはじめとする多様な二次代謝産物を生産する土壌細菌で、産業上重要な微生物として知られている。

近年の技術革新により、そうした放線菌を含むさまざまな微生物ゲノムの配列情報が入手できるようになり、一株の放線菌が数十もの二次代謝産物の生合成遺伝子を有していることが知られるようになってきた。しかし、多くの生合成遺伝子が見出されるにもかかわらず、それぞれの放線菌からはわずか数種類の化合物しか同定されていないのが現状であり、多くの生合成遺伝子は発現していないか、または発現がきわめて弱いため、その機能がわかっていないのが実情である。

そうした未知の生合成遺伝子の中には、有用な生理活性を示す新規化合物の生合成に関与するものが多く存在することが期待されており、近年その機能解析が各地で進められるようになってきた。研究グループもそうした解析を進めており、今回、全ゲノム配列が公開されている放線菌「Streptomyces coelicolor A3(2)」に存在する、プレニル基転移酵素遺伝子「SCO7467」、およびフラビン依存型モノオキシゲナーゼ(FMO)遺伝子「SCO7468」を含む機能未知生合成遺伝子群に着目し、その機能の解明に挑んだ。

具体的には、これら2つの遺伝子をクローン化し、別の放線菌である「Streptomyces lividans TK23」に導入することで、これらの遺伝子産物によって生合成される化合物が、新規構造を持つ「5-ジメチルアリルインドール-3-アセトニトリル(5-DMAIAN)」であることを確認したという。

また、さらなる研究からトリプトファンを出発物質とする5-DMAIANの生合成経路として、最初にプレニル基転移酵素であるSCO7467がトリプトファンにプレニル基を付加して5-ジメチルアリルトリプトファン(5-DMAT)を生成。次に5-DMATは、SCO7468というFMOによって5-ジメチルアリルインドール3-アセタルドキシム(5-DMAIAOx)へと変換するという機構を解明。

この反応に似た反応は植物由来のシトクロムP-450によって触媒されることがこれまでに報告されていたが、FMOによって触媒される反応は初めての報告例だと研究グループは説明しており、5-DMAIAOxは最終的に脱水反応を受けることで5-DMAIANへと変換されると考えられるとする。

さらに、研究グループは、今回明らかになったトリプトファン代謝経路やその類似経路を担う遺伝子が多くの放線菌のゲノム上に存在することも見出している。

インドール骨格を持つ化合物はさまざまな生理活性を示すことが知られており、中でもインドール酢酸(IAA)は、植物ホルモン「オーキシン」の生理活性を示すことが知られているが、研究グループでは、今回発見された5-DMAIANもオーキシンに近い構造をしていること、ならびに多くの放線菌が土壌細菌であることを考え合わせると、5-DMAIANのようなオーキシン類似化合物を介した放線菌と植物の応答現象の存在が想像されるとしており、今後、5-DMAIANや類縁化合物の生理活性が明らかにされることで、新しい作物生産調節技術の開発につながるのではとの期待を示している。