Loss and bacterial-origin reacquisition of the genes for tryptophan metabolism: biological significance and industrial application

色氨酸代谢基因的丢失和细菌来源的重新获得：生物学意义和工业应用

基本信息

批准号：
21H02209
负责人：
嶋田透
金额：
$ 11.15万
依托单位：
Gakushuin University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

動物におけるトリプトファンの主要な代謝経路はキヌレニン経路である。脊椎動物のキヌレニン経路では、TDO/IDO、KMO、KYNU、HAAO、ACMSDの5段階の酵素反応により、キヌレニンを経てキノリン酸やピコリン酸などが生じる。一方、昆虫では、ゲノム情報の比較から、それら酵素の存否が系統によって異なると予想されている。本研究は、昆虫および近縁の節足動物におけるキヌレニン経路の多様性と、その生物学的意義を明らかにすることを目指している。昆虫（外顎類）の共通祖先におけるキヌレニン経路を推定するために、古顎目に属するヤマトイシノミのゲノム解析およびトランスクリプトーム解析（RNA-seq）を実施した。その結果、ヤマトイシノミにはTDO、KMO、KYNU、HAAO、ACMSDの5つの酵素をコードする遺伝子が存在することを突き止め、それぞれほぼ完全長のmRNAの塩基配列を決定した。古顎目が、これら5遺伝子を全部持つ唯一の外顎類であることが判明した。総尾目のセイヨウシミのゲノム情報には、多くの有翅昆虫と同様に、TDOとKMOの2つしか存在しない。古顎目（単関節丘亜綱）と双関節丘亜綱の分岐後に、後者の共通祖先においてKYNU、HAAO、ACMSDの3つの酵素遺伝子を相次いで喪失したと考えれば、現存する昆虫の大部分がそれら3遺伝子を欠如することを矛盾なく説明できる。他方、鱗翅目の昆虫はTDOとKMOに加えてKYNUを有しているので、3-ヒドロキシアントラニル酸（3HAA）を合成できる。しかし3HAAも、その前駆物質である3-ヒドロキシキヌレニンも、毒性をもつ化合物であるため、鱗翅目は何らかの未知の機構で、これらの毒性を回避していると予想される。そこでカイコやエリサンを用いて、KYNUなどの遺伝子ノックアウトを行い、形質の評価と代謝産物の同定を行った。

动物体内色氨酸的主要代谢途径是犬尿氨酸途径。在脊椎动物犬尿氨酸途径中，喹啉酸和吡啶甲酸是通过犬尿氨酸通过五种酶促反应产生的：TDO/IDO、KMO、KYNU、HAAO 和 ACMSD。另一方面，在昆虫中，根据基因组信息的比较，预计这些酶的存在或不存在会根据品系的不同而有所不同。本研究旨在阐明昆虫及相关节肢动物中犬尿氨酸途径的多样性及其生物学意义。为了估计昆虫共同祖先（外颌类）中的犬尿氨酸途径，我们对古颌目跳蚤进行了基因组和转录组分析（RNA-seq）。结果，他们发现大和红蚤含有编码五种酶的基因：TDO、KMO、KYNU、HAAO 和 ACMSD，并确定了每种酶的近全长 mRNA 核苷酸序列。人们发现古颌动物是唯一拥有所有五个基因的外颌动物。与许多有翅昆虫一样，氰翅目昆虫只有两个基因组：TDO 和 KMO。如果考虑到古颌类（单软骨类）和双关节髁类分化后，后者的共同祖先失去了KYNU、HAAO和ACMSD这三个酶基因，那么大多数现存昆虫都可以毫无矛盾地解释这三个基因的缺失。。另一方面，鳞翅目昆虫除了TDO和KMO之外还拥有KYNU，这使得它们能够合成3-羟基邻氨基苯甲酸（3HAA）。然而，由于 3HAA 及其前体 3-羟基犬尿氨酸都是有毒化合物，鳞翅目动物有望通过某种未知机制避免其毒性。因此，我们利用家蚕和Erisan敲除KYNU等基因，评估性状并鉴定代谢物。