マルチオミクスデータによる酪酸ナトリウムのストレプトマイセス遺伝子発現とタンパク質修飾への影響

学術的背景

ストレプトマイセスは豊富な遺伝子クラスターと多数の天然物を生産する可能性があることから、広く注目されています。ヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）阻害剤は真菌のヒストン修飾において重要な役割を果たしていますが、原核生物における役割はほとんど知られていません。特にストレプトマイセスにおいて、これらの阻害剤が二次代謝産物の生合成に影響を与えるかどうかは研究に値する問題です。現代の生物情報学の発展により、ストレプトマイセスから多数の抗生物質生合成遺伝子クラスター（BGCs）が発見されましたが、実験室での培養条件下では、これらの遺伝子クラスターの大部分はサイレント状態にあり、多様な生物活性産物を発現できません。したがって、これらのサイレントBGCsを活性化することは、新しい生物活性化合物を開発するための重要な戦略です。

論文の出典

本研究は中国科学院微生物研究所の劉双江と譚華栄教授らのチームによって執筆され、2022年9月2日に「Genomics Proteomics & Bioinformatics」に掲載されました。本論文はHDAC阻害剤である酪酸ナトリウム（SB）のストレプトマイセス二次代謝産物合成への全体的な影響、特にサイレントBGCsの活性化作用について探っています。

研究プロセス

実験対象

本研究では、海洋堆積物から分離されたストレプトマイセス Streptomyces olivaceus FXJ 8.021をモデル菌株として、SBの二次代謝産物生合成への影響を調査しました。FXJ 8.021株の完全ゲノムシーケンシングにより、線状染色体と1つのプラスミドを含み、GC含量72.39%、7385個のタンパク質、18個のrRNA、66個のtRNA、63個の非コーディングRNAをコードしていることが示されました。

実験手順

1. BF含量の予測と遺伝子解析：antiSMASHを使用してFXJ 8.021株のゲノムを分析し、33の二次代謝産物合成遺伝子クラスターを予測しました。これらの遺伝子クラスターのうち、14個がポリケチド、非リボソームペプチドなど、様々な二次代謝産物の合成に関連していました。
2. SBのサイレントBGCs発現への影響：RT-PCRとHPLC分析により、SBがサイレントのLobophorin BGCを活性化できることを確認し、他のHDAC阻害剤（SAHA、VA）の効果も調査しました。結果は、SBがLobophorinの生合成を著しく向上させることを示しました。
3. 化学構造解析：発酵液を酢酸エチルで抽出し、HPLCとNMR分析を通じて、Lobophorin AとBの化学構造を決定しました。
4. トランスクリプトーム解析：RNA-Seq結果は、SBの存在下で、FXJ 8.021において2471個の遺伝子の発現レベルが有意に影響を受け、そのうち1333個の遺伝子が上方制御され、1138個の遺伝子が下方制御されたことを示しました。

新規方法と技術

1. マルチオミクス解析：本研究はゲノミクス、トランスクリプトミクス、タンパク質アセチル化オミクスを組み合わせ、ストレプトマイセスのSBに対する全体的な細胞応答を解明しました。
2. タンパク質相互作用ネットワーク解析：タンパク質-タンパク質相互作用（PPI）ネットワークを通じて、SBがストレプトマイセスの遺伝子発現と代謝物合成を制御する複雑な階層関係を分析しました。

主要な研究結果

1. 遺伝子クラスターの活性化：RT-PCR分析とantiSMASH予測結果は一致し、SBがサイレントのLobophorin BGCを活性化したことを示し、RNA-Seqデータはロボフォリン生合成遺伝子の発現上昇を確認しました。
2. アセチル化オミクス解析：LC-MS/MS分析は、SB処理後のFXJ 8.021におけるタンパク質のアセチル化変化を示し、1473個のアセチル化タンパク質を同定し、218個のアセチル化部位が上昇し、411個のアセチル化部位が減少しました。
3. 前駆体分子の蓄積：SB処理後、FXJ 8.021の細胞内CoAエステル前駆体（アセチル-CoA、メチルマロニル-CoAなど）の濃度が著しく増加し、Lobophorinの生合成を促進しました。

結論

本研究は、HDAC阻害剤SBがストレプトマイセスのタンパク質アセチル化レベルを調節することで、代謝物前駆体の蓄積を促進し、さらに二次代謝物合成遺伝子クラスターを活性化することを明らかにしました。この研究は、ストレプトマイセスのサイレントBGCsを活性化する効果的な戦略を提供するだけでなく、ストレプトマイセスにおけるタンパク質アセチル化の一次および二次代謝制御への理解を深めました。

研究の意義と応用価値

1. 科学的価値：研究はSBのストレプトマイセス二次代謝物合成への全体的な影響を明らかにし、細菌HDAC阻害剤の微生物代謝制御における応用例を提供しました。
2. 応用価値：サイレントBGCsの活性化を通じて、本研究は新型抗生物質開発の潜在的な方法を提供し、抗生物質耐性と新興病原体がもたらす公衆衛生上の課題に対処するのに役立ちます。

研究のハイライト

1. 新発見の抗生物質：SBがストレプトマイセスのサイレントLobophorin遺伝子クラスターを活性化できることを初めて確認し、細菌におけるアセチル化修飾の潜在的な制御メカニズムを明らかにしました。
2. 革新的技術：マルチオミクス解析手法を総合的に適用し、SB存在下でのストレプトマイセスの複雑な細胞応答を体系的に明らかにしました。
3. 広範な影響：ストレプトマイセスのアセチル化レベルを制御することで、研究はSBの生物活性物質生産向上における応用可能性を示しました。

その他の価値ある情報

研究チームは、SB処理がタンパク質アセチル化と全体的なアセチル化変化に与える影響の詳細な分析を強調しました。将来的には、細菌の核様体タンパク質（NAPs）の精密な制御メカニズムを探求する際に、本研究を基礎として、これらの小分子阻害剤の微生物代謝制御と利用における応用拡大をさらに検討する予定です。