腸内細菌のグリコーゲン蓄積を制御する新規転写因子を同定　～微生物の炭素源代謝の理解や物質生産への応用に期待～

明治大学農学部農芸化学科ゲノム微生物学研究室の島田 友裕准教授、小林 一幾博士研究員、斎藤 駿介（博士前期課程２年）、ヤマサ醤油株式会社の保科 元気（当時法政大学学部生）は、日本電信電話株式会社（NTT）宇宙環境エネルギー研究所の今村 壮輔特別研究員、上仲 恵美研究員、櫻井 敦主幹研究員との共同研究により、大腸菌のグリコーゲン蓄積の新規な転写制御因子とその制御機構を同定しました。本研究成果は、微生物の代謝と増殖の制御の理解や微生物を用いた物質生産への応用に役立ちます。

研究成果のポイント

●モデル微生物である大腸菌の機能未知転写因子YegWのゲノム転写制御ネットワークの同定に成功した。YegWはグリコーゲンの蓄積を抑制化していることを実証した。

●元来、グリコーゲンの蓄積は、細胞増殖の停止により起こるとされてきたが、本研究成果により、糖の量に応じて引き起こされる機構が明らかとなった。

●これらの結果から、YegWをGgaR (repressor of glycogen accumulation)と命名した。

要旨

生物がゲノムに持つ遺伝子を選択的に利用する仕組みを理解することは、ポストゲノム時代の生命科学分野における先端的研究課題の一つです。明治大学農学部の島田 友裕准教授のゲノム微生物学研究室では、大腸菌をモデル微生物として、大腸菌が持つ全ての転写制御因子の機能解明をめざしています。その一環で本研究では、NTT宇宙環境エネルギー研究所の研究グループと共同で、機能未知転写因子YegWの機能解明を行いました。その結果、YegWがグリコーゲンの蓄積を抑制化していること、また、グリコーゲンの前駆体であるADP-グルコースをエフェクターとして感知していることを明らかとしました。さらに細胞増殖の観察から、YegWは糖を細胞増殖のために消費するか、グリコーゲンとして蓄積するか、を判断する役割を担っていることが示唆されました。これらYegWによるゲノム転写制御機構の解明から、微生物がグリコーゲンを蓄積するための新たな仕組みが明らかとなり、YegWをGgaR (repressor of glycogen accumulation)と命名しました。

本研究は、日本学術振興会による科学研究費基盤C（代表：島田友裕）等の援助により行われました。研究成果は原著論文として、スイスの国際学術誌「Microorganisms」（電子版）に2024年1月5日付で掲載されました。

１．   研究の背景

生物はゲノムに持つ遺伝子を選択的に利用することで環境に適応しており、その仕組みを理解することは、ポストゲノム時代の生命科学分野における先端的研究課題の一つです。モデル微生物である大腸菌はゲノムに約4700の遺伝子を持っており、それらは約300種類の転写制御因子により制御されていることが分かってきていることから、それら全転写制御因子の機能解明が課題となっています。しかしながら、そのうち約５分の１はいまだに機能が全くの不明である機能未知転写因子であり、これらの機能解明を含めたゲノム転写制御機構の全体像の理解が求められています。

２．   研究内容と成果

本研究グループは大腸菌をモデル微生物として、一つの生物のゲノム転写制御機構の全体像の理解をめざしています。その一環で、転写因子と推測されている機能未知転写因子YegWについて、ChIP-chip法を用いて細胞内におけるゲノム上の結合領域を解析したところ、yegTUVオペロンを唯一の標的としていることが分かりました。標的遺伝子にはグリコーゲンの蓄積に関与することを示唆する知見があったため、大腸菌細胞を用いてYegWによる様々な影響を観察したところ、yegW欠損株ではyegTUVオペロンの発現量が上昇し、グリコーゲン蓄積量が増加していました（図１）。また、YegWがグリコーゲンの前駆体であるADP-グルコース存在下で不活性型になることを見出しました。特に興味深い点として、グルコース単一炭素源培地においてyegWを欠損することにより、大腸菌の生育は低下した一方で、細胞増殖中にもかかわらずグリコーゲンの蓄積量が増加していました（図２）。このことはYegWが、糖を細胞増殖のために消費するか、グリコーゲンとして蓄積するか、を判断する役割を担っていることを示唆しています。元来、グリコーゲンの蓄積は、細胞増殖の停止により起こるとされてきましたが、本研究成果により、糖の量に応じて引き起こされる制御機構が明らかとなりました（図３）。本研究成果から、この機能未知転写因子YegWをGgaR (repressor of glycogen accumulation)と命名しました。

３．   今後の期待

本研究グループはこれまでに大腸菌K-12株の持つ７種類のRNAポリメラーゼシグマ因子のうち６種類、約300種類の転写因子のうち70種類以上の機能同定に成功してきました。本研究によりまた一つ、機能未知転写因子の機能が明らかとなり、１つの生物の遺伝子発現制御機構の全体像の理解に近づきました。

本研究により、微生物におけるグリコーゲン蓄積の新規制御機構が明らかになりました。グリコーゲンはエネルギー源の貯蔵形態であり、細胞増殖と代謝を切り替える微生物の生存戦略の一端が解明されました。本研究成果により、微生物の自然環境下などのストレス条件下における生存のための仕組みが理解されることが期待されます。また、微生物を利用した物質生産などの応用分野にも役立つことが期待されます。

４．   発表論文

＜タイトル＞

Regulatory Role of GgaR (YegW) for Glycogen Accumulation in Escherichia coli K-12.

＜著者名＞

Shunsuke Saito, Ikki Kobayashi, Motoki Hoshina, Emi Uenaka, Atsushi Sakurai, Sousuke Imamura, Tomohiro Shimada

＜雑誌名＞

Microorganisms

＜DOI＞

10.3390/microorganisms12010115

研究グループ

●明治大学農学部農芸化学科 ゲノム微生物学研究室

　　准教授　島田 友裕（しまだ　ともひろ）

　　農学研究科博士前期課程２年 斎藤 駿介（さいとう　しゅんすけ）

　　博士研究員　小林 一幾（こばやし　いっき）

●ヤマサ醤油株式会社（当時法政大学学部生）　保科 元気（ほしな　もとき）

●NTT　宇宙環境エネルギー研究所

　　特別研究員　今村 壮輔（いまむら　そうすけ）

　　研究員　上仲　恵美（うえなか　えみ）

　　主幹研究員　櫻井 敦（さくらい　あつし） 

参考図

図１．大腸菌野生株とggaR (yegW)欠損株の電子顕微鏡写真。矢印は細胞内のグリコーゲン顆粒を示す。ggaRを欠損することでグリコーゲン蓄積が促進したことがわかる。

 図２．大腸菌野生株とggaR欠損株の生育とグリコーゲン蓄積量の比較。Aは異なる濃度のグルコースを添加した最少培地で生育させた際の大腸菌の生育曲線。Bはその際の細胞内グリコーゲン蓄積量を示す。野生株は細胞増殖が良好でグリコーゲン蓄積量は少ない。一方でggaR欠損株は生育の悪化と引き換えに、グリコーゲン蓄積量が増加していた。

図３．グリコーゲン蓄積抑制化転写因子GgaRによるグリコーゲン蓄積の制御モデル。培地中のグルコース量に応じて変化するADP-グルコース量を感知してGgaRの活性が変化し、グリコーゲンの合成を制御する。富グルコース環境（左）では、ADP-グルコース量の増加に伴いGgaRが不活性型となるため、グリコーゲン合成を脱抑制し、グリコーゲン蓄積が引き起こされる。貧グルコース環境（右）では、ADP-グルコース量が少ないため、GgaRが活性型となり、グリコーゲン合成を抑制化する。