海綿由来の天然物 ポリセオナミド polytheonamidesの生合成クラスターがJorn Pielらのグループにより同定され、Science Expressに発表されました。
Science Expressは、Science誌掲載予定論文の中から精選された論文のみを電子版で早期に発表するものです。つまり、Science掲載論文の中でも特に素晴らしい論文と言うことです。今回は、なぜこの論文がScience Expressに掲載されたかという理由について解説して行きたいと思います。
’’Metagenome Mining Reveals Polytheonamides as Posttranslationally Modified Ribosomal Peptides’’
Michael F. Freeman, Cristian Gurgui, Maximilian J. Helf, Brandon I. Morinaka, Agustinus R. Uria, Neil J. Oldham, Hans-Georg Sahl, Shigeki Matsunaga, Jörn Piel
Originally published in Science Express on September 13 2012
ポリセオナミド polytheonamides
ポリセオナミドは、分子量5,000を超える直鎖状の巨大ポリペプチド化合物です。2004年に東京大学の伏谷•松永らのグループにより単離•構造決定されました。19種類、48残基のアミノ酸から構成され、そのうちの13種類は非タンパク構成アミノ酸です。
さて、みなさんはこの直鎖状ポリペプチドの構造式を見て、ポリセオナミドの三次元構造を想像できるでしょうか？
（図は論文より）
’’Polytheonamides A and B, Highly Cytotoxic, Linear Polypeptides with Unprecedented Structural Features, from the Marine Sponge, Theonella swinhoei’’
Hamada T, Matsunaga S, Yano G, Fusetani N.
J. Am. Chem. Soc., 2005, 127 (1),110–118
（図は論文より）
Solution Structure of Polytheonamide B, a Highly Cytotoxic Nonribosomal Polypeptide from Marine Sponge
Hamada T, Matsunaga S, Fujiwara M, Fujita K, Hirota H, Schmucki R, Guentert P, Fusetani N., J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 12941-12945.
DOI: 10.1021/ja104616z
ポリセオナミドは、人工のイオンチャネルを形成する点やD-アミノ酸を複数含む点など様々な面において注目を集めていました。
そんな、注目化合物の生合成が明らかになったのですが、なぜScienceなんでしょうか？
生合成研究なんて、ゲノム読んで、BLASTして、クラスター決めて、破壊株作るだけのルーティンワークでしょ？せいぜいNature Chemical Biology止まり、Nature、Scienceは無理でしょ？と思う方もいるかも知れません。
でも、Scienceに載るには理由があるのです！！！
①予想を覆した！
当初、ポリセオナミドは非リボソーム合成酵素（Nonribosomal peptide synthases; NRPS）によって生合成されていると考えられてきました。過去のポリセオナミド関連の論文も全てNRPS由来と書いています。
しかし、Jorn Pielらは、リボソーム由来のペプチドであると予想し、それを証明しました。これは、すごいことです。というのも、リボソーム由来のペプチドはL体のアミノ酸しか含まないと思われていたからです。ポリセオナミドの生合成では、epimeraseという酵素がL体をD体に変換するのですが、全てのアミノ酸の立体を変えるのではなく、特定の位置のアミノ酸の立体のみを反転させるのです！！！
②メタゲノムライブラリーの活用
最近の天然物化学で注目を集めているトピックスのひとつに「真の生産者は誰か？」というものがあります。植物や魚類などから単離されてきた化合物でも、実は共生微生物がその化合物を生産していたという例が報告されています。
今回のポリセオナミドは海綿由来。。。海綿は、英語でmarine spongeと言うことからも分かる通り大量の海水、微生物を含んでいます。もはやカオス。どの微生物が生産者かなんて分かりません。
従来は、環境中から取ってきた微生物を分離、培養してから研究していましたが、環境中の微生物は培養が難しいものがほとんどです。
そこで、分離、培養というステップを省いたメタゲノム解析が用いられました。どの微生物か分からないなら海綿に共生している微生物全てのDNAを取ってきて、そのまま解析すれば良いじゃん！みたいな発想です。簡単に聞こえるかもしれないですが、この海綿からのDNAの抽出はとても難しいステップなのです。
③バクテリア由来！
現在まで、海綿由来の天然物は共生微生物が生産しているのではないか？という仮説がありましたが、それを支持するようなものはありませんでした。
今回の論文においてJorn Pielらのグループは、ポリセオナミドが共生バクテリア由来であることが証明されました。この結果は、海綿由来の天然物が共生微生物由来ではないかと言う仮説を支持する初のものです。
今後について
エンジイン化合物であるC-1027やCalicheamicinも2報続けて生合成研究がScienceに載ったことを考えると、海綿由来天然物の生合成研究もあと何報かはNature、Scienceに載るのではないでしょうか？
また今後、Pielらのグループからは、ポリセオナミドの生合成遺伝子のengineeringや、各酵素の機能解析で何報か続報が出てくるのではないでしょうか？
また、ポリセオナミドのクラスター内にあるL-アミノ酸をD-アミノ酸に変えるepimeraseの基質特異性について調べたり、t-Bu基をつくるメチル化酵素の反応機構について調べるのも面白そうです。
遺伝子クラスターは宝の山！ひとつクラスターを発見してしまうと数年は研究材料に困らないような感じがします。
最後に
海洋天然物は非常に注目を集め、強い生理活性を持つ化合物も多数報告されてきました。しかし、海洋天然物発の医薬品は、まだまだ少ないです。これを機に、海洋天然物の研究が更に加速して行くことを期待しています。
ざっくりした解説になってしまいましたが、詳しくは、論文を読んでください！
参考文献
’’Metagenome Mining Reveals Polytheonamides as Posttranslationally Modified Ribosomal Peptides’’
Michael F. Freeman, Cristian Gurgui, Maximilian J. Helf, Brandon I. Morinaka, Agustinus R. Uria, Neil J. Oldham, Hans-Georg Sahl, Shigeki Matsunaga, Jörn Piel
Originally published in Science Express on September 13 2012
’’Polytheonamides A and B, Highly Cytotoxic, Linear Polypeptides with Unprecedented Structural Features, from the Marine Sponge, Theonella swinhoei’’
Hamada T, Matsunaga S, Yano G, Fusetani N.
J. Am. Chem. Soc., 2005, 127 (1),110–118
DOI: 10.1021/ja045749e
Solution Structure of Polytheonamide B, a Highly Cytotoxic Nonribosomal Polypeptide from Marine Sponge
Hamada T, Matsunaga S, Fujiwara M, Fujita K, Hirota H, Schmucki R, Guentert P, Fusetani N.
J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 12941-12945.
DOI: 10.1021/ja104616z
’’Total synthesis of the large non-ribosomal peptide polytheonamide B’’
Inoue, M.; Shinohara, N.; Tanabe, S.; Takahashi, T.; Okura, K.; Itoh, H.; Mizoguchi, Y.; Iida, M.; Lee, N.; Matsuoka, S. Nature Chem. 2010, 2, 280-285., DOI: 10.1038/NCHEM.554
