Research

Research overview

私たちの研究室では、生物の巧みな物質生産システムを利用した「ものづくり」「ものとり」を実践しています。現在は、糸状菌 (カビ) のゲノム上にコードされる未知化合物の生合成遺伝子を活用することで、様々な研究分野にインスピレーションを与えるような魅力的な天然物や擬天然物を創生し目指して日々研究に取り組んでいます。糸状菌の作り出す多様な二次代謝物 (天然有機化合物) は、ペニシリンやロバスタチンに代表されるような有用薬理活性物質が多いことから、医薬品開発の重要な探索資源として認識されています。次世代シーケンサーによる糸状菌ゲノム解析が進むにつれ、未知なる二次代謝物の設計図 (生合成遺伝子クラスター) が数多く存在することが明らかになりました。そこにはいったいどのような二次代謝物の構造が描かれているのでしょうか。私たちは、糸状菌のゲノム上に存在するユニークな設計図を探索し (ゲノムマイニング)、その情報に基づき、有機化学、遺伝子工学、合成生物学などの幅広い領域の知識や手法を駆使して新規性の高い二次代謝物の獲得する「ポストゲノム型天然物探索」を展開しています。新しい天然物を発見するだけでなく、新しい化学反応、酵素反応や生合成マシナリーの開拓や二次代謝制御システムの解明にも興味を持って取り組んでいます。研究してで創出した天然物は、共同研究を通じて様々な薬理活性を評価し、医薬シーズ探索への応用を目指します。天然物は感染症治療薬やがん治療の分野で強みを発揮してきた歴史を踏まえて、抗菌 (薬剤耐性菌)、抗真菌、抗ウイルス、抗がん活性の評価を軸とします。ポストゲノム時代にあってこそなし得る天然物探索「ものとり」を展開し、天然物創薬の発展に貢献します。

キーワード:天然物化学、ものとり、二次代謝物、生合成、休眠遺伝子、ゲノムマイニング、有機化学、分子生物学、遺伝子工学、合成生物学、天然物創薬

研究1 : ポストゲノム型天然物探索研究

麹菌異種発現システムを用いるポストゲノム型天然物探索

糸状菌ゲノム上には、多種多様な未開拓の二次代謝物生合成遺伝子が眠っています。次世代シーケンサー登場や糸状菌分子生物学の発展により、これら膨大な遺伝子資源を利用する天然物を探索が実現可能になりました。私たちは、独自に分離した、植物や昆虫の内生糸状菌のゲノム情報を探索資源とし、麹菌異種発現系を利用するポストゲノム型天然物探索により、ユニークで独創的な天然物や有用な薬理活性天然物の獲得を目指しています。また、異種発現を利用するメリット「任意の遺伝子を導入可能」を利用して、生合成クラスターの再構築に加え、生合成経路を再設計した人工生生合成経路を麹菌内で構築することで、自然にはプログラムされていない非天然型の天然物の創生にもトライしています。研究は以下の4ステップで進めています。

1. 内生糸状菌の探索とドラフトゲノム解析
2. ゲノムマイニングによるユニークな生合成遺伝子クラスターの探索
ドメイン構成がユニークなPKS、HPN、NRPSを含むクラスター、修飾酵素の組み合わせがユニークなクラスター、リボソームペプチド系化合物 (RiPPs) をコードする可能性のあるクラスターなどなどに興味を持って進めています。
3. 過剰発現麦ターの作成と麹菌への遺伝子導入
4. 導入遺伝子に由来する二次代謝物の単離と構造決定

研究2 :

非酵素生合成反応を利用する天然物多様性の拡大

天然物の多くの骨格は酵素反応によって生合成されます。一方で、非酵素反応が鍵となって複雑でユニークな分子骨格ができる例もあり、最近報告が増えています。非酵素反応は、もちろん、直前の前駆体の化学的な性質によりますので、フラスコ内での化学反応に応用することが可能です。私たちは、イソクロメン型ポリケタイドが酸性溶媒中で引き起こすユニークな二量化反応を見出し、それを利用して多様な非天然型ポリケタイド類の創生に成功しました。その経験を活かして、天然物の生合成経路に見られるユニークな非酵素反応およびその前駆体を、麹菌異種発現系を用いて明らかにします。さらに前駆体の反応性を有機反応で活用することで、多様な擬天然物の創生し、新しいケミアカルスペースを開拓することを目指しています。

研究3 :

糸状菌二次代謝活性化剤の開発と新規天然物探索

私たちはこれまでに、エピジェネティクス制御に関わる酵素、例えばヒストン脱アセチル化酵素 (HDAC) やDNAメチル化酵素の阻害剤を、糸状菌培養時に添加することで、休眠遺伝子を活性化し、多様な新規天然物を取得してきました。HDAC阻害剤の中でも、SBHAやニコチンアミドは糸状菌二次代謝を活性化するのにとても効果的でしたが、それでも、糸状菌の休眠遺伝子を利用するには十分ではありません。私たちは、独自の視点で、新たな糸状菌二次代謝活性化剤を探索しています。さらに、それを利用した新規天然物探索、さらには二次代謝活性化剤の作用メカニズム解明に向けたケミカルバイオロジー研究へと発展させることを目指して取り組んでいます。ユニークな新規天然物を発見した場合は、化学構造情報をもとにゲノムマイニングを行い、研究1や2へフィードバックし、新しい研究テーマへと繋がっていきます。

研究4 : 糸状菌二次代謝制御因子の探索と応用

二次代謝は様々な生命現象と密接に関連しながら制御されています。また、様々な生命現象の下流に位置しており、上流の影響を大きく受けることが予想されます。例えば、放線菌等では、アミノ酸飢餓になると、他の微生物を攻撃する物質 (抗生物質) の生産が上昇する現象 (リボゾーム工学を参照) が知られています。研究3ではChemicalに糸状菌の生理状態を変化させることで、通常ではOffになっている二次代謝を呼び起こそうというものですが、こちらでは、転写や翻訳などのセントラルドグマに関わる因子、細胞分裂やDNA複製に関わる因子、また一次代謝に関わる因子など、生命維持に必須のタンパク質やそれらの変異型異常タンパク質を過剰発現することで、糸状菌の秘められた二次代謝を呼び起こそうと言うものです。始めたばかりでどうなるかわからないことも多いですが、新しいタンパク質の機能や糸状菌の二次代謝制御システムがわかるかもしれませんし、それを通して、二次代謝の意味についても理解できるのではと期待しています。