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大学・研究所にある論文を検索できる 「麹菌Aspergillus oryzaeにおける異種ポリケタイド生産と新規内在性ポリケタイド同定に関する研究」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

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麹菌Aspergillus oryzaeにおける異種ポリケタイド生産と新規内在性ポリケタイド同定に関する研究

菅, 英一郎 東京大学 DOI:10.15083/0002008284

2023.12.27

概要























英一郎

生物の生産する二次代謝産物は有用な生物活性を有することから、医薬品や農薬などの
幅広い分野で活用され、人類の歴史において非常に重要な役割を果たしてきた。近年、ゲノ
ム解析技術の進歩は目覚ましく、二次代謝産物生産宿主のゲノム情報を基に生合成酵素群
をコードする遺伝子クラスターを推定することが可能となった。このため、二次代謝産物の
生合成遺伝子クラスターを遺伝子操作が容易な宿主で異種発現する手法は新規二次代謝産
物を発見するために有効であり、さらに、異種発現株を用いて生合成経路を解析することも
できる。一方、この異種発現系においては、二次代謝産物の前駆体となる宿主の一次代謝産
物の供給がボトルネックとなることが多い。このような状況において、日本の発酵醸造に使
用される麹菌 Aspergillus oryzae は糸状菌二次代謝産物の異種生産宿主としての利用が期
待されている。しかしながら、A. oryzae を商業的な異種二次代謝産物生産の宿主として使
用するには目的化合物の生産性が十分でないという課題があった。本論文は、A. oryzae に
異種ポリケタイド化合物を生産させ、ポリケタイド合成酵素(PKS)の伸長基質である
malonyl-CoA の代謝経路を改変することによって目的化合物の生産性向上を達成するとと
もに、A. oryzae の新規内在性ポリケタイドを同定した研究についてまとめたものであり、
5 章から構成されている。
第一章では、研究の背景と先行研究について述べられている。
第二章では、A. oryzae における feruloyl-N-acetylcystamine(NAC)からの植物ポリケ
タイド curcumin の異種生産系の構築について述べられている。また、curcumin 合成の前
駆体となる malonyl-CoA 供給量を強化することにより、化合物の増産に成功したことにつ
いても述べられている。具体的には、acetyl-CoA から malonyl-CoA を合成する acetyl-CoA
carboxylase(ACC)に着目し、ACC をリン酸化することでその活性を阻害する SnfA を欠
失させることにより、curcumin の増産に成功している。一方、acetyl-CoA を消費しポリケ
タイド化合物生産と競合すると考えられるステロール生合成系の調節に関与する SREBP
システム(SREBP/SCAP)を負に制御することでも curcumin の増産に成功している。最
終的には、SnfA と SCAP の欠失を組み合わせることで、親株と比較し 6 倍の生産量増加に

成功している。
第三章では、malonyl-CoA 供給量を強化した株において、異種糸状菌ポリケタイド
atrochrysone carboxylic acid の増産について述べられている。atrochrysone carboxylic
acid 関連ポリケタイド化合物の一つである emodin の生産量は、第二章で構築した malonylCoA 供給強化株(snfA-SCAP 二重破壊株)において親株の 3.7 倍に増大することに成功し
ている。この実験は液体培養で行われており、snfA-SCAP 二重破壊株が液体培養において
もポリケタイド化合物の増産に効果を有することを示した点も重要である。第二章、第三章
の結果から、snfA-SCAP 二重破壊による malonyl-CoA 供給強化は複数の異種ポリケタイ
ド化合物の増産に効果を有すると結論づけている。
第四章では、A. oryzae における内在性二次代謝産物の同定ならびにその生産機構に関す
る解析について述べられている。具体的には、A. oryzae の有する 8 つの I 型 PKS 遺伝子
クラスターを欠失させた株を作製し、親株との代謝比較を行うことで、新規二次代謝産物の
同 定 が 行 わ れ て い る 。 pksc_1 と 名 付 け た 遺 伝 子 ク ラ ス タ ー が 2,4′-dihydroxy-3′methoxypropiophenone の生産に関与し、遺伝子破壊および相補の実験から ppsA、ppsB、

ppsC が生合成遺伝子であることを明らかにしている。また、in vitro 解析から PpsA はア
セチル CoA リガーゼであり、ポリケタイド合成酵素である PpsB への基質供給に関与する
と結論している。一方、PpsC は 4′-hydroxyl-3′-methoxypropiophenone への結合性(Kd =
26.0±6.2 M)を示すものの水酸化酵素としての活性を有さないことから、基質の輸送に
関 与 す る と 推 測 し て い る 。 最 終 的 に 、 こ れ ら の 結 果 に 基 づ い て 、 2,4′-dihydroxy-3′methoxypropiophenone の生合成経路を提案している。
第五章では、トリコスタチン A による A. oryzae の休眠遺伝子の活性化を介した新規化
合物の生産について述べられている。バイオインフォマティクス解析の結果から、leporin
生合成遺伝子が存在することを見出し、遺伝子破壊の実験から PKS-非リボゾームペプチド
合成酵素をコードする lepA および転写因子をコードする lepE が本生合成遺伝子クラスタ
ーによる化合物生産に関与することを明らかにしている。また、単離した化合物が leporin
類縁体化合物であることを明らかにし、化合物の部分構造から単離化合物の構造を推測し
ている。
最後に総括と将来展望が述べられている。
以上、麹菌 A. oryzae における異種ポリケタイド生産と新規内在性ポリケタイドに関する
多くの新規な知見を与えた本研究成果は、学術上応用上寄与するところが少なくない。よっ
て、本論文は博士(農学)の学位請求論文として合格と認められる。

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Biosynthesis

Chembiochem. 2021, 22, 203-211.

121

Genes

in

Aspergillus

oryzae.

付録

コドン最適化 4CL 塩基配列(5’-3’)

ATGGACACCCAGACCAAAACCGACCAGAAAGACATCATCTTCCGTTCTAAACTGCCGGACATCT

ACATCCCGAAACACCTGCCGCTGCACTCTTACTGCGGTGAAAACATCTCTCAGTTCTCTTCTCG

TCCGTGCCTGATCAACGGTTCTAATGATCGTGTATACACCTACGCAGAAGTTGAAATCACCTCT

CGTAAAGTTGCTGCTGGTCTGCACAAACACGGTATCAAACAGACCGAAACCATCATGCTGCTG

CTGCCGAACTGCCCGGAATTCGTTTTCGCTTTCCTGGGTGCTTCTTACATCGGTGCTGTTTCT

ACCACCGCTAACCCGTTCTTCACCTCTTCTGAAATCATCAAACAGGCTAAAGCTTCTAAAACCA

AACTGATCATCACCGTTTCTACCACCGTTCCGAAACTGAAAGACTTCTCTCAGGAAAACCACGT

TAAAATCATGTGCATCGACGACAAAATCGACGGTTGCCTGCACTTCTCTTCTGACCTGGAAAAC

TCTGACGAAACCACCCTGCCGGACGTTGAAATCCGTCCGGACGACGTTGTTGCTCTGCCGTAC

TCTTCTGGTACCACCGGCCTGCCGAAAGGTGTTATGCTGACCCACAAAGGcCTGGTTACCTCT

GTTGCTCAGCAGGTTGACGGTGACAACGCTAACCTGTACATGCACCACGAgGACGTTGTTATG

TGCACCCTGCCGCTGTTCCACATCTACTCTATGAACTCTATCCTGCTGTGCGGTCTGCGTGTT

GGTGCTGCTATCCTGCTGATGCACAAATTCGAAATCGTTACCTTCCTGGAACTGATCCAGCGT

TACAAAGTTACCATCGGTCCATTCGTTCCGCCGATCGTTCTGGCTATCGCTAAATCTAACGTT

GTTGACCAGTACGACCTGTCTACCGTTCGTACCGTTATGTCTGGTGCTGCTCCGCTGGGTTCT

GAACTGGAAGACGCTGTTCGTGCTAAATTCCCGAACGCTAAACTGGGTCAGGGTTACGGTATG

ACCGAAGCTGGTCCGGTTCTCGCTATGTGCCTGGCGTTCGCTAAAGAACCATTCGAAATCAAA

TCTGGTGCTTGCGGTACCGTTGTTCGTAACTCTGAAATGAAAATCATCGACACCGAAACCGGC

GCTTCTCTGCCGCGTAACCAGTCTGGTGAAATCTGCATCCGTGGTGACCAGATCATGAAAGGT

TACCTGAACGACCCGGAAGCTACCGAACGTACCATCGACAAAGAAGGTTGGCTGCACACCGGC

GACATCGGTTACATCGACGACGACGACGAACTGTTCATCGTTGACCGTCTGAAAGAACTGATC

AAATACAAAGGTTTCCAGGTTGCTCCGCCGGAACTGGAAGCTCTGCTGGTTCCACATCCGAAC

GTAAGCGACGCTGCTGTTGTTTCTATGAAAGACGAAGGTGCTGGTGAAGTTCCGGTTGCTTTC

GTTGTTCGTTCTAACGGTTCTACCACCACCGAAGACGAAATCAAACAGTTCGTTTCTAAACAGG

TTATCTTCTACAAACGTATCAACCGTGTTTTCGGTGTTGACTCTATCCCGAAATCTCCGTCTGG

TAAAATCGTTCGTAAAGACCTGCGTGCTAAACTGGCTGCTCGTTTCCTGAACGGTCCAACCAC

CAACGTTGTTCCGAACGGTGGTAACGTTGCTAAAGACAACGTTCCAAATGGTGTAAGCAACGG

TGTTTCTAAAGCTAACGGTGGTGTTGCTAAAGAAGGTGTTGCTAACGGTGTTCCGACCGACGG

TGACTACGGTGTTGCTACCAAAGGTGTTGCTAACGGTATCTCTAACGGTGTTTACAAACAGGT

TTCTAACGGTGTTGTTTCTAACGGTGTTGCTAACGGTATCGTTTCTAACGGTATCGCTAACGG

TGTTCACAACTAG

122

コドン最適化 TAL 塩基配列(5’-3’)

ATGAGCCATCCCTACATTGCGTGCCGGGCGTTCCCTATCTCAGCCAGAAACATTGGGGGTCAAGACTCGT

GGGCGACGGGCGAAAAGGGCGTTCATAAGGTCACCACTATGAAGATCGATGGTCGCGGACTCACCATCT

CGCAGACTGTTGCCGCTGCCTCTCGTGAGGGTAGCGAATTCGCTGTCTCGGAGGACGCCCTCCGTGCTAT

GAACGCCTCCCGGAATCTGAAGCTTGAAATCCTGGCCACCGGCAAGCCAATCTACGGTGTTACCACTGG

CTTCGGTGATTCTGTCAACCGTCAGATCAGCCCGGAGAAGACTGCCCGCCTTCAGAACGAATTGATCCGT

TATCACCTCAATGGAACTGGACGCCTCGCCTCCGATGAGGTTGTGCGCGCCACTGTCCTTATCCGTGCTA

ACTGCTTGGCCCGGGGAAATTCGGGCGTGTCCCTTCCTGTTGTCGAGCTCCTGCTTGATTTCCTTAAGCAT

GACATCTTGCCTACCGTTCCTGAACGTGGTTCTGTTGGAGCTTCCGGCGATTTGGTTCCCCTCTGTTACCT

GGCCTATGCTCTCACAGGCCAGGGAAAGGTCCGTCACCGCGGCGAAACCCGCCCTACTGCTGAGGTCCT

CGCCGAATTGGGACTCAAGCCGGTGACCCTGGAAGCTAAGGACGGACTGGCCCTTATCAACGGCACCTC

GTTCTCCGCTGCCTTCGCCGTGCTTAATACTGAGGCTGCCGCTGAATTGGCTGATGTTGCCGACATCTGCA

CTGCCCTCGCTTCTGAGGGTATGCTGGGAAACCGTGGCCATTACGCTCCTTTCATCCATAATGAAAAGCCT

CACTCTGGACAGGGTGCCTCCGCTGCTTACATCCACCAGATGCTCGAGGGATCCTCTCTGGCTATGACCT

ATGATCAGGTGGTTGACCTCAACGTCCCACTGGATGGCCGCCATTACCAGCGTCTTACTCGGTCGATCCA

GGACCGGTATTCCTTGCGCTGTGCCCCGCACGTGAATGGCGTTCTTCGGGATATGTTGGACTGGGTGCGC

ACCTGGATGACTGTTGAAATCAACAGCTCGTCCGATAATCCACTGTTCGACCCGTCTACCGGTGCTGTCT

ACAGCGGCGGTAACTTCTATGGAGGCCATGTCGTGACCGCCATGGATTCCCTTAAGACTGCCGTGGCTGG

AATCGCTGATTTGCTCGACCGGCAGTTGGCCCTGCTTGTTGACGAGAAGTTCAACAATGGCCTCACCCCT

AATCTGATCGCTCGCGTCGATGACGATGACACTGAAGCCGGCCTCCAGCACGGTTTCAAGGGAATGCAG

ATCGCTTGCTCTAGCCTTACCGCCGAGGCTTTGAAGCATTCTGGCCCTGCCTCCACCTTCTCTCGCAGCAC

TGAAGCCCACAACCAGGATAAGGTGTCTATGGCTCCAATTGCTGCTCGTGATGCTCGTACTGTCATCGAG

CTCACTCGTGAAGTGGCCGCTATCCATTTGCTCGCCGCTTGTCAGGCTGTTGAGCTGCGTGGAGTGGATG

AAATGAGCCCTCGGACTAAGGCTGTGCACGCCCGTATCCGTAAGGAAGTCCCCTTCGCCGCTAAGGACC

GCCAGATGGATGGTGACATCGCCGCTGTTGTTGAGATGATTGCGTCTGGGGCTATTACCGAAGCAGCACG

AGCGGGAGGAAACCTGTAG

123

pksc2-pksc8 領域の欠失確認

124

Compound 9 (1H NMR)

Compound 9 (13C NMR)

125

Compound 9 (H-H COSY)

Compound 9 (HMBC)

126

Compound 9 (HMQC)

127

Purified 11 (1H NMR)

Authentic 11 (1H NMR)

128

180.0

170.0

160.0

150.0

140.0

130.0

120.0

110.0

100.0

X : parts per Million : Carbon13

129

90.0

80.0

70.0

60.0

50.0

43.116

41.872

41.029

40.617

40.522

40.426

40.282

40.148

40.005

39.870

39.727

39.593

37.304

31.837

29.558

29.252

27.347

22.645

18.356

14.516

190.0

70.299

132.257

130.687

127.786

127.662

126.905

(thousandths)

1.0

2.0

Compound 13 (1H NMR)

Compound 13 (13C NMR)

40.0

30.0

20.0

10.0

Compound 13 (H-H COSY)

Y : parts per Million : Carbon13

190.0

170.0

150.0

130.0

110.0

90.0

70.0

50.0

30.0

10.0

abundance

Compound 13 (HMBC)

9.0

8.0

X : parts per Million : Proton

7.0

6.0

5.0

4.0

3.0

130

2.0

1.0

1.0 2.0

(thousandths)

3.0

Y : parts per Million : Carbon13

200.0

100.0

abundance

0 0.2 0.4 0.6

Compound 13 (HMQC)

8.0

7.0

X : parts per Million : Proton

6.0

5.0

4.0

131

3.0

2.0

1.0

0 1.0 2.0

(thousandths)

謝辞

本研究を行うにあたり、東京大学で受託研究員として研究させていただくとともに、終始懇

切なご指導・ご助言を頂きました東京大学大学院農学生命科学研究科

醗酵学研究室教授

大西康夫先生に深甚なる謝意を申し上げます。

醗酵学研究室 准教授 勝山陽平先生には、本研究の開始時から代謝産物の解析、構造解析

など研究に関して懇切丁寧なご指導・ご助言を賜るとともに、研究の方向性から文書の作成

方法に至るまで多くのことを学ばせていただきました。ここに深く感謝申し上げます。

醸造微生物学(キッコーマン)寄付講座 特任准教授 丸山潤一先生には、麹菌の組換え操

作から麹菌研究に関する様々なご助言ならびにご支援を賜るとともに、研究に関する様々

なご相談をさせていただきました。ここに深く感謝申し上げます。

研究室での進捗報告会では微生物潜在酵素(天野エンザイム)寄付講座

特任教授

尾仲

宏康先生、特任講師 浅水俊平先生、現・微生物膜輸送工学(発酵研究所)寄付研究部門 川

崎寿先生には大変貴重なご助言を賜りました。ここに深く感謝申し上げます。

産業技術総合研究所

玉野孝一先生には麹菌の代謝改変に関して大変貴重なご助言をいた

だきました。ここに深く感謝申し上げます。

理化学研究所

長田裕之先生、二村友史先生には単離化合物の生物活性評価を行っていた

だきました。ここに深く感謝申し上げます。

醗酵学研究室の皆様には、会社から来た私を温かく迎え入れていただき、研究生活を送るに

あたり大変お世話になりました。冨田宏矢博士、角田毅博士には研究に関する多くの有意義

な議論をさせていただくとともに、些細な相談もさせていただきました。醗酵学研究室の皆

様に厚く御礼を申し上げます。

本研究に挑戦する機会を与えていただきましたキッコーマン株式会社

取締役常務執行役

員 松山旭博士に深く感謝申し上げます。また、本研究テーマを進めるにあたり多大なご助

言ご指導を賜りました野田産業科学研究所 小山泰二博士に深く感謝いたします。また、麹

菌に対する知識のない私に様々なご助言をいただきました、高橋理博士、小川真弘博士をは

じめ同研究所の皆様に厚く御礼申し上げます。

132

最後にこれまでの研究生活を支えてくれた両親、祖父母ならびに妻に心から感謝いたしま

す。

133

...

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