2024/04/22 更新

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セキ タカヒロ
関 貴洋
所属
理工学術院 理工学術院総合研究所
職名
次席研究員(研究院講師)
 

論文

  • ABCF ATPases Involved in Protein Synthesis, Ribosome Assembly and Antibiotic Resistance: Structural and Functional Diversification across the Tree of Life.

    Victoriia Murina, Marje Kasari, Hiraku Takada, Mariliis Hinnu, Chayan Kumar Saha, James W Grimshaw, Takahiro Seki, Michael Reith, Marta Putrinš, Tanel Tenson, Henrik Strahl, Vasili Hauryliuk, Gemma Catherine Atkinson

    Journal of molecular biology   431 ( 18 ) 3568 - 3590  2019年08月  [査読有り]  [国際誌]

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    Within the larger ABC superfamily of ATPases, ABCF family members eEF3 in Saccharomyces cerevisiae and EttA in Escherichia coli have been found to function as ribosomal translation factors. Several other ABCFs including biochemically characterized VgaA, LsaA and MsrE confer resistance to antibiotics that target the peptidyl transferase center and exit tunnel of the ribosome. However, the diversity of ABCF subfamilies, the relationships among subfamilies and the evolution of antibiotic resistance (ARE) factors from other ABCFs have not been explored. To address this, we analyzed the presence of ABCFs and their domain architectures in 4505 genomes across the tree of life. We find 45 distinct subfamilies of ABCFs that are widespread across bacterial and eukaryotic phyla, suggesting that they were present in the last common ancestor of both. Surprisingly, currently known ARE ABCFs are not confined to a distinct lineage of the ABCF family tree, suggesting that ARE can readily evolve from other ABCF functions. Our data suggest that there are a number of previously unidentified ARE ABCFs in antibiotic producers and important human pathogens. We also find that ATPase-deficient mutants of all four E. coli ABCFs (EttA, YbiT, YheS and Uup) inhibit protein synthesis, indicative of their ribosomal function, and demonstrate a genetic interaction of ABCFs Uup and YheS with translational GTPase BipA involved in assembly of the 50S ribosome subunit. Finally, we show that the ribosome-binding resistance factor VmlR from Bacillus subtilis is localized to the cytoplasm, ruling out a role in antibiotic efflux.

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  • Activation of extracytoplasmic function sigma factors upon removal of glucolipids and reduction of phosphatidylglycerol content in Bacillus subtilis cells lacking lipoteichoic acid.

    Takahiro Seki, Takuya Furumi, Michihiro Hashimoto, Hiroshi Hara, Satoshi Matsuoka

    Genes & genetic systems   94 ( 2 ) 71 - 80  2019年04月  [査読有り]  [国内誌]

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    In Bacillus subtilis, extracytoplasmic function (ECF) sigma factors are activated by reduction of phosphatidylglycerol (PG) content, absence of glucolipids, or absence of lipoteichoic acid (LTA). LTA is synthesized by polymerization of the glycerophosphate moiety of PG onto diglucosyldiacylglycerol (DGlcDG), a major glucolipid in B. subtilis, in the plasma membrane. Thus, reduction of PG content or absence of glucolipids might cause some changes in LTA, and hence we investigated whether reduction of PG content or absence of glucolipids induces the activation of ECF sigma factors independently from an ensuing change in LTA. Disruption of ugtP, responsible for glucolipid synthesis, in cells lacking LTA caused an additive increase of activation levels of σM, σX, σV and σY (3.1-, 2.2-, 2.1- and 1.4-fold, respectively), relative to their activation levels in cells lacking LTA alone. Reduction of PG content (by repressing Pspac-pgsA) in the cells lacking LTA caused an additive increase of activation levels of σM, σW and σV (2.3-, 1.9- and 2.2-fold, respectively). These results suggested that absence of glucolipids or reduction of PG alone, not the possible secondary alteration in LTA, leads to changes that affect the regulation systems of some ECF sigma factors in the plasma membrane.

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    (Scopus)
  • Construction of a Nonnatural C60 Carotenoid Biosynthetic Pathway.

    Ling Li, Maiko Furubayashi, Takuya Hosoi, Takahiro Seki, Yusuke Otani, Shigeko Kawai-Noma, Kyoichi Saito, Daisuke Umeno

    ACS synthetic biology   8 ( 3 ) 511 - 520  2019年03月  [査読有り]  [国際誌]

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    Longer-chain carotenoids have interesting physiological and electronic/photonic properties due to their extensive polyene structures. Establishing nonnatural biosynthetic pathways for longer-chain carotenoids in engineerable microorganisms will provide a platform to diversify and explore the potential of these molecules. We have previously reported the biosynthesis of nonnatural C50 carotenoids by engineering a C30-carotenoid backbone synthase (CrtM) from Staphylococcus aureus. In the present work, we conducted a series of experiments to engineer C60 carotenoid pathways. Stepwise introduction of cavity-expanding mutations together with stabilizing mutations progressively shifted the product size specificity of CrtM toward efficient synthases for C60 carotenoids. By coexpressing these CrtM variants with hexaprenyl diphosphate synthase, we observed that C60-phytoene accumulated together with a small amount of C65-phytoene, which is the largest carotenoid biosynthesized to date. Although these carotenoids failed to serve as a substrate for carotene desaturases, the C25-half of the C55-phytoene was accepted by the variant of phytoene desaturase CrtI, leading to accumulation of the largest carotenoid-based pigments. Continuing effort should further expand the scope of carotenoids, which are promising components for various biological (light-harvesting, antioxidant, and communicating) and nonbiological (photovoltaic, photonic, and field-effect transistor) systems.

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  • Activation without Proteolysis of Anti-σ Factor RsiV of the Extracytoplasmic Function σ Factor σV in a Glucolipid-Deficient Mutant of Bacillus subtilis

    Takahiro Seki, Kouji Matsumoto, Satoshi Matsuoka, Hiroshi Hara

    Advances in Microbiology   07 ( 04 ) 315 - 327  2017年  [査読有り]

    担当区分:筆頭著者

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  • Suppression of abnormal morphology and extracytoplasmic function sigma activity in Bacillus subtilis ugtP mutant cells by expression of heterologous glucolipid synthases from Acholeplasma laidlawii.

    Satoshi Matsuoka, Takahiro Seki, Kouji Matsumoto, Hiroshi Hara

    Bioscience, biotechnology, and biochemistry   80 ( 12 ) 2325 - 2333  2016年12月  [査読有り]  [国際誌]

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    Glucolipids in Bacillus subtilis are synthesized by UgtP processively transferring glucose from UDP-glucose to diacylglycerol. Here we conclude that the abnormal morphology of a ugtP mutant is caused by lack of glucolipids, since the same morphology arises after abolition of glucolipid production by disruption of pgcA and gtaB, which are involved in UDP-glucose synthesis. Conversely, expression of a monoglucosyldiacylglycerol (MGlcDG) produced by 1,2-diacylglycerol 3-glucosyltransferase from Acholeplasma laidlawii (alMGS) almost completely suppressed the ugtP disruptant phenotype. Activation of extracytoplasmic function (ECF) sigmas (SigM, SigV, and SigX) in the ugtP mutant was decreased by alMGS expression, and was suppressed to low levels by MgSO4 addition. When alMGS and alDGS (A. laidlawii 1,2-diacylglycerol-3-glucose (1-2)-glucosyltransferase producing diglucosyldiacylglycerol (DGlcDG)) were simultaneously expressed, SigX activation was repressed to wild type level. These observations suggest that MGlcDG molecules are required for maintenance of B. subtilis cell shape and regulation of ECF sigmas, and DGlcDG regulates SigX activity.

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  • Repression of the activities of two extracytoplasmic function σ factors, σM and σV, of Bacillus subtilis by glucolipids in Escherichia coli cells.

    Takahiro Seki, Ryota Mineshima, Michihiro Hashimoto, Kouji Matsumoto, Hiroshi Hara, Satoshi Matsuoka

    Genes & genetic systems   90 ( 2 ) 109 - 14  2015年  [査読有り]  [国内誌]

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    Extracytoplasmic function (ECF) σ factors respond to environmental stresses and regulate numerous genes required for adaptation. Under normal growth conditions, the ECF σ factors are sequestered by transmembrane anti-σ factor proteins, from which they are released under stress conditions. In Bacillus subtilis ugtP null mutant cells, which lack glucolipids, three of the seven ECF σ factors, σM, σV and σX, are activated. The Escherichia coli cell membrane does not contain glucolipids. When the genes for these three ECF σ and anti-σ factors were introduced into E. coli cells, expression of lacZ fused to the ECF σ factor-regulated promoters indicated ECF σ factor activity. Additional expression of the ugtP gene in these E. coli cells led to the synthesis of small amounts of glucolipids, and the activities of σM and σV were repressed, but the activity of σX was unaffected. It is likely that glucolipids directly influence anti-σM and anti-σV factors by stabilizing conformations that sequester the respective ECF σ factors.

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  • Induction of extracytoplasmic function sigma factors in Bacillus subtilis cells with defects in lipoteichoic acid synthesis.

    Michihiro Hashimoto, Takahiro Seki, Satoshi Matsuoka, Hiroshi Hara, Kei Asai, Yoshito Sadaie, Kouji Matsumoto

    Microbiology (Reading, England)   159 ( Pt 1 ) 23 - 35  2013年01月  [査読有り]  [国際誌]

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    Lipoteichoic acid (LTA) is an important cell envelope component of Gram-positive bacteria. Bacillus subtilis has four homologous genes for LTA synthesis: ltaS (yflE), yfnI, yqgS and yvgJ. The products LtaS (YflE), YfnI and YqgS are bona fide LTA synthetases, whereas YvgJ functions only as an LTA primase. To clarify whether defects in LTA on the cell envelope trigger extracytoplasmic function (ECF) sigma factors, mRNA levels of the autoregulated ECF sigma factors in cells with singly and multiply deleted alleles of the ltaS homologues were examined by real-time RT-PCR. This revealed that sigM and sigX were induced in cells with a null allele of ΔltaS and ΔyfnI, respectively, and that no ECF sigma factor was induced in cells with a single null allele of ΔyqgS or ΔyvgJ. In cells with double null alleles (ΔltaS and ΔyfnI), sigW and ylaC were induced in addition to sigM and sigX. Cells with triple null alleles (ΔltaS ΔyfnI and ΔyqgS) showed a pattern of induction similar to that of the double null. In cells with quadruple null alleles, sigV and sigY were newly induced. Cells with ΔltaS had approximately 1/4 the diglucosyldiacylglycerol and over 10 times the CDP-diacylglycerol of wild-type cells. Compensatory elevation of the mRNA level of other homologues was observed (in ΔltaS cells the level of yfnI was elevated; in ΔyfnI cells that of yqgS and yvgJ was elevated; both were even higher in ΔltaS ΔyfnI cells). In ΔltaS cells, the mRNA level of yfnI was corroborated to be regulated by σ(M), which is activated in the null mutant cells. In ΔyfnI cells, the mRNA levels of yqgS and yvgJ reverted to less than those of wild-type when a defective sigX allele was introduced. Since sigX was activated in cells with ΔyfnI, this suggests that the induction of yqgS and yvgJ is dependent on σ(X). The LTAs produced by the four ltaS homologues seem to play distinct physiological roles to maintain the full function of LTA on the B. subtilis cell envelope.

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 枯草菌における糖脂質の局在とシャペロン機能の解明

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究(B)

    研究期間:

    2015年04月
    -
    2019年03月
     

    松岡 聡, 原 弘志, 松本 幸次, 関 貴洋

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    枯草菌糖脂質欠損株は形態異常を示し、ECFシグマ(σM、σV、σX)が活性化する。異種細菌由来のMGlcDG合成酵素遺伝子導入によって欠損株の形態異常が相補され、ECFシグマの活性化が減少した。MGlcDG、DGlcDG合成酵素遺伝子の同時発現で、σX活性が野生型レベルに戻った。これらは、MGlcDGは枯草菌の形態維持やECF制御に必要なこと、またDGlcDGはσX制御への関与を示唆する。ECF活性化では通常膜タンパク質であるアンチシグマが分解されるが、糖脂質によるECFシグマの活性化では、アンチシグマの分解は起こらないことから、糖脂質がシャペロン様にアンチシグマに作用することが示唆された。

  • 枯草菌細胞膜糖脂質の環境ストレス応答における役割の解明

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 特別研究員奨励費

    研究期間:

    2016年04月
    -
    2018年03月
     

    関 貴洋

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    枯草菌はその細胞膜に糖転移酵素UgtPによって合成される3種類の糖脂質を持っている。ugtP遺伝子を破壊し糖脂質を欠損させた細胞では細胞外ストレス応答因子であるExtraCytoplasimic Function (ECF)シグマ因子(SigM, SigV, SigX)が恒常的に活性化している。ECFシグマ因子は普段, 膜タンパク質であるアンチシグマによって捕縛され活性が抑制されている。
    SigVは細胞壁分解酵素であるリゾチームに応答し, その活性化機構はSigVの特異的アンチシグマRsiVがRIP経路と呼ばれる多段階のプロテアーゼカスケードによって分解されるというものである。しかしRIPプロテアーゼの1つであるRasPを欠損していても, SigVは糖脂質欠損に応答し活性化した。また, 糖脂質欠損株ではRsiVレベルに変化はなく分解は起きていなかった。一方で, あらかじめRsiVを欠損させておくとSigV活性に糖脂質欠損の影響は見られなくなった。これらの結果は, 糖脂質欠損によるSigVの活性化機構はRIP経路を介したRsiVの分解とは異なる機構によることを示している。
    さらに, RsiVの細胞外ドメインを糖脂質欠損には応答しないRsiWの細胞外ドメインと交換したキメラタンパク質は糖脂質欠損に応答しなかった。また, RsiV の66番目のアラニンをトリプトファンに置換した変異RsiVも糖脂質欠損には応答しなかった。これらの結果より, 糖脂質欠損によるSigVの活性化機構は, RsiVの細胞ドメインから始まる立体構造変化であることが示唆された。

  • 細菌膜脂質ドメイン構造の全体像とその細胞機能の解明

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)

    研究期間:

    2012年04月
    -
    2016年03月
     

    松本 幸次, 原 弘志, 松岡 聡, 定家 義人, 橋本 理尋, 日下 仁, 周藤 悟志, 石川 一輝, 今井 裕紀子, 谷口 綾, 伊藤 安矢, 宮川 宏義, 梅川 満, 近藤 大哲, 瀬谷 学人, 峯島 良太, 宮松 沙織, 松島 若菜, 関 貴洋, 西野 有紀, 古川 祐吾, 齋藤 知, 名取 恒平

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    本研究は細菌膜脂質ドメイン構造の全体像とその細胞機能の解明を目的とし、以下の2つの材料から研究を実施した。脂質合成酵素が分裂隔壁細胞膜に局在する機構の解明において、カルジオリピン合成酵素のC末端にある両親媒性αへリックスが、酸性リン脂質が豊富な隔壁細胞膜に結合する機能を持つMTSであることを蛍光顕微鏡観察とWestern解析により示した。枯草菌の細胞分裂位置を制御するMinDについては、minJ欠損細胞でもC末端MTSにより隔壁に局在することを示した。局在はMinJに依存するとした従来モデルは、カルジオリピン等の酸性リン脂質が豊富な隔壁細胞膜に結合するMTSの機能から修正を要する。

  • 細菌膜脂質ドメインの構造とその形成機構

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)

    研究期間:

    2009年
    -
    2011年
     

    松本 幸次, 原 弘志, 松岡 聡, 内山 純爾, 橋本 理尋, 原 義令, 近藤 大哲, 谷村 遊, 石川 一輝, 今井 裕紀子, 梅川 満, 奥津 裕文, 神谷 雄介, 佐々木 優, 谷口 綾, 千葉 美奈子, 初 金苗, 小島 一誠, 田中 智章, 中村 達郎, 日當 竜一, 宮崎 希, 宮澤 岳, 及川 達巳, 佐野 奈緒子, 瀬谷 学人, 松永 直子, 峯島 良太, 宮松 沙織, 横尾 茉由子, 松島 若菜, 小穴 秋弓, 唐沢 伸明, 木村 絵里, 関 貴洋, 西野 有紀, 野中 ちひろ, 古川 祐吾

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    本研究は細菌膜脂質ドメインの構造とその形成機構の解明を目的とし、以下の2つの課題を実施した。(1)膜脂質カルジオリピンとホスファチジルエタノールアミンは枯草菌細胞膜に均一に分布せず、分裂隔壁と両極にドメインをつくり局在する。細胞表層における膜脂質分布の全体像を解明するため、これまで未検討であった他の脂質に対するプローブの開発を進めた。(2)枯草菌細胞の分裂隔壁細胞膜に脂質合成酵素と細胞分裂タンパク質MinDがどの様な仕組みで分裂隔壁の膜に局在するのか、MinD COOH末端の局在に係わる領域を解析し、脂質ドメイン形成の原理解明を進めた。

Misc

  • 【NEDOスマートセルプロジェクト】メタボライトセンサ構築技術 スマートセル開発のためのメタボライトセンサ製作技術

    関 貴洋, 小林 一幾, 梅野 太輔

    バイオサイエンスとインダストリー   77 ( 6 ) 516 - 517  2019年11月

  • 【天然物化学研究の新展開】二次代謝経路の一次代謝化技術 融和的入植と高出力化のための生合成リデザイン学

    大谷 悠介, 関 貴洋, 梅野 太輔

    ファルマシア   55 ( 7 ) 658 - 661  2019年07月

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    二次代謝経路(天然物経路)は生理活性と新規酵素の宝庫であり,リデザインも容易である。一方で,これを一次代謝に匹敵する馬力で高度に運転するためには,多くの新しい工学的努力を要する。本稿では,筆者たちのテルペノイド合成経路の進化工学の経験をもとに,天然物生合成経路の高効率運転を目指したリデザイン技術のあり方について議論する。

    DOI CiNii

  • Analysis of the activation mechanism of an extracytoplasmic function sigma factor sigma V in the Bacillus subtilis mutant cells lacking glucolipids by using chimera-antisigma factors

    Takahiro Seki, Satoshi Matsuoka, Kouji Matsumoto, Hiroshi Hara

    GENES & GENETIC SYSTEMS   91 ( 6 ) 350 - 350  2016年12月  [査読有り]

    研究発表ペーパー・要旨(国際会議)  

  • The role of glucolipids in the regulation of ECF sigma factors in Bacillus subtilis

    Takahiro Seki, Ryota Mineshima, Michihiro Hashimoto, Satoshi Matsuoka, Kouji Matsumoto, Hiroshi Hara

    GENES & GENETIC SYSTEMS   89 ( 6 ) 330 - 330  2014年12月  [査読有り]

    研究発表ペーパー・要旨(国際会議)  

  • 枯草菌における糖脂質欠損、ホスファチジルグリセロール減少、リポテイコ酸欠損によるECFシグマ因子の活性化

    関 貴洋, 橋本 理尋, 松岡 聡, 松本 幸次, 原 弘志

    脂質生化学研究   55   179 - 182  2013年05月

    CiNii

  • Induction of extracytoplasmic function sigma factors in Bacillus subtilis cells with defective lipoteichoic acid

    Michihiro Hashimoto, Takahiro Seki, Satoshi Matsuoka, Hiroshi Hara, Kei Asai, Yoshito Sadaie, Kouji Matsumoto

    GENES & GENETIC SYSTEMS   87 ( 6 ) 433 - 433  2012年12月  [査読有り]

    研究発表ペーパー・要旨(国際会議)  

  • Analysis of induction of extracytoplasmic function sigma factors in Bacillus subtilis cells lacking glucolipids

    Takahiro Seki, Michihiro Hashimoto, Satoshi Matsuoka, Hiroshi Hara, Kouji Matsumoto

    GENES & GENETIC SYSTEMS   87 ( 6 ) 433 - 433  2012年12月  [査読有り]

    研究発表ペーパー・要旨(国際会議)  

  • ストレス応答ECFシグマ因子を介した枯草菌におけるリポテイコ酸の恒常性の維持

    橋本 理尋, 関 貴洋, 松岡 聡, 原 弘志, 朝井 計, 定家 義人, 松本 幸次

    脂質生化学研究   54   138 - 141  2012年05月

    CiNii

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