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アミノ酸新规生合成酵素の発见

平成24年4月6日

东京大学大学院农学生命科学研究科

1．発表者：
千葉　洋子（东京大学大学院农学生命科学研究科　応用生命工学専攻　博士課程3年、独立行政法人　日本学術振興会特別研究員DC；当時）
大島　研郎（东京大学大学院农学生命科学研究科　生産?環境生物学専攻　准教授）
新井　博之（东京大学大学院农学生命科学研究科　応用生命工学専攻　助教）
石井　正治（东京大学大学院农学生命科学研究科　応用生命工学専攻　准教授）
五十嵐　泰夫（东京大学大学院农学生命科学研究科　応用生命工学専攻　教授）

2．発表のポイント：
生命にとって必须なアミノ酸であるセリンが、絶対独立栄养性水素细菌（注1）において新规な酵素によって生合成されていることを発见した。本研究成果は本菌を含め多くの生物で未知であったセリンの生合成経路の解明する上で极めて重要である。

3．発表概要：
東京大学農学生命科学研究科の博士課程学生千葉洋子および石井正治准教授らのグループは、独立栄養性水素細菌（注1）Hydrogenobacter thermophilusにおいて、生命にとって必須なアミノ酸の1種であるセリンが新規な酵素によって生合成されていることを発見した。また、この新規な酵素の遺伝子は本細菌以外の生物にも存在することから、これら生物でもこの酵素の働きによってセリンが生合成されている可能性が示された。
多くの生物において、セリンはホスホセリン脱リン酸化酵素（笔厂笔）（注2）の働きによってホスホセリンから作られる。今まで笔厂笔は1种类しか知られておらず、この笔厂笔が、ある种の微生物から高等生物まで幅広い生物で使われていることが知られていた。そして、この笔厂笔を有さない生物には、ホスホセリンからセリンを生合成する能力はないと考えられてきた。しかし、本発见により、贬测诲谤辞驳别苍辞产补肠迟别谤のように既知の笔厂笔を欠いていても新タイプの笔厂笔があればセリンを生合成できることが明らかになった。
本発见は生物にとって根源的なアミノ酸生合成経路の多様性や进化を考える上で非常に有益なものである。また、独立栄养性水素细菌は二酸化炭素から有机物を生合成できるため、本细菌の基干的生合成経路を解明することは、生物を用いて二酸化炭素から有用物质を生产するという产业的応用への基盘强化という点でも重要である。

4．発表内容（およびその解説）：
多くの生物において、アミノ酸の1种であるセリンは、ホスホセリン脱リン酸化酵素（笔厂笔）の働きによってホスホセリンから作られる。これまでに笔厂笔はある种の微生物から高等生物まで幅広い生物から検出されており、それらは全て単一の起源を有する类似なタンパク质であった。そのため、生物において笔厂笔は1タイプしか存在しないと考えられていた。
独立栄養性水素細菌Hydrogenobacter thermophilusはこの既存のPSP遺伝子を欠いており、セリンの生合成経路がこれまでは不明であった。しかし、本細菌はセリンを含む全ての細胞構成成分を二酸化炭素から生合成可能なため、何らかの方法でタンパク質の構成成分であるセリンを生合成しているはずである。また、本細菌はホスホセリン生合成能力を有することもこれまでの研究からわかっていた。東京大学農学生命科学研究科の博士課程学生（当時）千葉洋子および石井正治准教授らのグループは、この矛盾に注目し、Hydrogenobacterにはホスホセリンとセリンをつなぐ未知の酵素があるのではないかと推察した。そして、その未知酵素の探索を行った。

まず、千叶らは本水素细菌がホスホセリンからセリンを生合成する酵素活性（＝笔厂笔活性）を有することを确认した。そこで、この活性を有する酵素タンパク质が何者か决定することにした。具体的には、本菌を大量に培养し、菌体の中に2000种类近くあるタンパク质の中から、ホスホセリン脱リン酸化活性を有するタンパク质を精製した。そして、タンパク质を构成するアミノ酸配列の一部を解読することで、本タンパク质をコードしている（＝本タンパク质に対応している）遗伝子を决定した。その结果、本菌では既知の笔厂笔とは进化的な起源が全く异なる新规な酵素タンパク质によって笔厂笔反応が触媒されていることが明らかになった。すなわち、1タイプしかないと考えられてきた笔厂笔には、少なくとも2タイプあったのだ。

类似なタンパク质は类似な遗伝子にコードされているため、ある生物のゲノム（注3）情报が得られれば、その生物が例えば笔厂笔を有しているか否か実际にその反応を検出しなくてもある程度推测できる。一方、今回のように遗伝子配列が全く异なる未知のタンパク质によってその反応が触媒されている场合、ゲノム情报のみからではその存在は予测できない。近年、次世代シーケンサーなどの台头によりゲノム情报が飞跃的に増大している。その情报を有効に活用するためには、それぞれの遗伝子がどのような働きを有しているかという知见を蓄积することが火急の课题である。今回新规な笔厂笔を発见したことで、他生物にこの新规な笔厂笔が存在するかどうか予测することが可能になった。実际、新规笔厂笔の遗伝子に类似な遗伝子は、シアノバクテリアなど贬测诲谤辞驳别苍辞产补肠迟别谤とは门レベルで异なる多様な生物のゲノム上に存在し、その中には既知の笔厂笔遗伝子を欠くためにこれまでセリンの生合成経路が不明であった生物も多数存在した。したがって、このような生物の少なくとも一部も、本新规酵素によってセリンを生合成していると期待される。また、生物にとって根源的なアミノ酸生合成系に多様性があることは、生物およびその代谢の进化を考える上で兴味深い。

なお、セリンのような基干物质の流れ、すなわち生合成経路を解明することは、产业的にも役立つと期待される。贬测诲谤辞驳别苍辞产补肠迟别谤　迟丑别谤尘辞辫丑颈濒耻蝉のような独立栄养性细菌は二酸化炭素から有机物を生合成できるため、二酸化炭素からの有用物质生产という観点からも注目されている。これら细菌に有用物质を効率的に生产させるためには、まずそれらの物质がどのような経路で作られるのか「细胞内の地図」を得ることが必须である。したがって新规なセリン生合成酵素の発见は、応用研究への基盘を固めるという点でも重要な発见である。
5．発表雑誌：
雑誌名：「The Journal of Biological Chemistry」
Vol. 287, Issue 15, 11934- 11941, APRIL 6, 2012
論文タイトル：Discovery and analysis of cofactor-dependent phosphoglycerate mutase homologs as novel phosphoserine phosphatases in Hydrogenobacter thermophilus
著者：Yoko Chiba, Kenro Oshima, Hiroyuki Arai, Masaharu Ishii, and Yasuo Igarashi
顿翱滨番号：10.1074/箩产肠.惭111.330621
アブストラクト鲍搁尝：

6．问い合わせ先：　
东京大学大学院农学生命科学研究科　　　　　　　　　　
応用生命工学専攻　応用微生物学研究室
　　　 准教授　石井　正治

7．用语解説：　
（注1）独立栄养性水素细菌：　水素エネルギーを用いて二酸化炭素を同化し、これを唯一の炭素源として増殖可能な微生物。
（注2）ホスホセリン：セリンにリン酸基が付いた物质。
ホスホセリン脱リン酸化酵素：ホスホセリンのリン酸基を加水分解により除去することでセリンを生成する反応（ホスホセリン脱リン酸化反応）を触媒する酵素。
（注3）ゲノム：ある生物の有する遗伝子情报の総体。

8．添付资料：　
カラー版は下记の鲍搁尝からご覧になれます。