研究概要

メタゲノム解析は、微生物の分離や培養の工程を経ずに、環境試料から直接ゲノムDNAを取得することを可能にします。この方法は、未培養の環境微生物や海洋無脊椎動物の共生体など、ほとんどの場合、培養が困難な遺伝子プールから生合成遺伝子を単離することを容易にします。
現在、海洋天然物化学の分野では、配列に基づく方法と機能に基づく方法の2つの主要なメタゲノム解析アプローチが用いられています（図1）。配列ベース法は、保存された生合成遺伝子をターゲットとし、大規模な配列データの中から相同な配列を検索したり、PCR増幅法を用いてランダムなDNAプールから遺伝子を採掘したりする方法です。この方法は、ポリケチド、非リボソームペプチド、翻訳後修飾リボソームペプチドの生合成機構をコードするような、よく研究されている遺伝子群を含む検索に非常に有利です。近年、次世代シーケンサーの開発により、このような遺伝子を標的とした研究が目覚ましく発展しています。このため、海産無脊椎動物の様々な二次代謝産物を生産していると考えられる海洋共生細菌の膨大な生合成遺伝子群を採掘するためには、配列に基づくアプローチが標準的な手法となっています。

図1. 海洋天然物化学分野におけるメタゲノム研究の一般的なスキーム

機能ベースメタゲノムアプローチでは、ランダムメタゲノムライブラリーから特定の選択方法（例えば、バイオアッセイ）を用いて生合成遺伝子を単離します。機能ベースのアプローチは、異種宿主微生物（ほとんどの場合、大腸菌）が、採用した選択法で検出可能な機能性分子を生産する能力に依存しています。したがって、最終産物を生産することができる遺伝子のみが選択されます。現在までに、この方法を用いて、海綿動物Halichondria okadaiとDiscodermia calyxから、それぞれ halichromeAとインドールポルフィリンハイブリッドなど、いくつかの海洋メタゲノム産物が異種生産されています。

我々はこれまでに、機能性メタゲノムアプローチと海洋試料を用いて、ポリカルボキシレート型siderophoreであるビブリオフェリンやヒドロキサメート型siderophoreの bisucaberin （2）、後者はN-hydroxy-N-succinyl cadaverine（4、HSC、図2）の大環状二量体であるなど、いくつかのシデロフォアの生産を行っています。最近、我々はメタゲノムDNAにコードされる bisucaberin （2）生合成酵素MbsA、B、Cの基質選択性が予想以上に広いことを見出しました。 bisucaberin （2）前駆体HSC（4）ともう一つの前駆体と考えられるN-hydroxy-N-succinyl putrescine（HSP、5）がmbsA-Cクローンの培養液中に検出され、追加生成物の存在が示唆されているからです。このように、1つの遺伝子セットから多様な分子を生産できる海洋メタゲノムの拡張性に興味を持ちました。ここでは、メタゲノムクローンの代謝物を詳細に解析し、他の海洋細菌の関連生合成酵素と触媒機能を比較した結果を報告します。この結果は、海洋メタゲノムが潜在的に持つ多様性と、機能未知の遺伝子を解析する機能ベースアプローチの有用性を示すものです。

図2. N-hydroxy-N-succinyl diamine（HSD）系siderophoreの構造