乳酸菌の長寿遺伝子サーチュインが果たす根源的な機能の発見：タンパク質合成と細胞分裂の制御

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  • Unraveling the Fundamental Function of the Lactic Acid Bacterial Longevity Gene, Sirtuin : Regulation of Protein Synthesis and Cell Division
  • ニュウサンキン　ノ　チョウジュイデンシ　サーチュイン　ガ　ハタス　コンゲンテキ　ナ　キノウ　ノ　ハッケン　：　タンパクシツゴウセイ　ト　サイボウブンレツ　ノ　セイギョ

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抄録

サーチュインは健康長寿を支える遺伝子とされ，ほとんどの生物にある。その実体は，有核生物では，主としてヒストン，p53他のアセチル化タンパク質を基質とするNAD+依存性リジン脱アセチル化酵素，原核生物では，コバラミン合成に関するcobBとして同定された後，代謝酵素，転写制御因子及び走化性タンパク質の脱アセチル化に関わると報告された。一方プロバイオティクスとして注目されている乳酸菌もサーチュインを持つが，その役割は不明であった。乳酸菌自身にとっても，サーチュインは健康維持の長寿遺伝子なのか？それが本研究の出発点であった。プロバイオティクスや醗酵のスターターに用いられてきたLactobacillus paracaseiを対象として，まず遺伝子sirAをクローニングすることから手掛け，組換えタンパク質LpSirAを作成した。次にLpSirAのリジン脱アセチル化酵素反応を検証し，その細胞内基質の一つが30Sリボソームタンパク質S4であることを見出した。続いて，抗LpSirA抗体を作り，菌体細胞内のサーチュインの局在を，免疫染色法及び蛍光タンパク質融合による生細胞の観察，最終的には免疫電子顕微鏡撮影したところ，細胞全長にわたる緩めの螺旋状の局在，または細胞分裂面と細胞極に濃密に局在することを発見した。更にsirA欠損株，sirA過剰発現株を作成してみると，野生株に比べてsirA欠損株は細胞長が短く，逆にsirA過剰発現株は細胞長が長いことが判明した。これらの結果は，タンパク質合成制御に加えて，サーチュインが細胞分裂と細胞形態形成という，生命維持に本質的な機能を持つことを示した。更にストレス耐性に関与するデータも得て，乳酸菌サーチュインを人為的に制御することができれば，プロバイオティクスとしての機能を高め，ひいては宿主の健康長寿維持にも役立つ可能性があるのではないかと考えるに至った。

Sirtuin is known as a longevity gene that supports long and healthy life, and most organisms have this gene. In eukaryotes, it works mainly as an NAD+-dependent protein lysine deacetylase, which removes acetyl groups from proteins such as histones, p53 and others. Whereas in prokaryotes it was first identified as cobB which plays a role in cobalamin processing, later it was reported to deacetylate certain metabolic enzymes, transcription factors and chemotactic proteins. Although lactic acid bacteria also have this gene, little is known about its function in the bacteria. ‘Does sirtuin also function as a longevity or health-promoting gene in lactic acid bacteria?’ This question was the starting point of our research. Lactobacillus paracasei, widely used as probiotics and a fermented food starter, was chosen, and its sirtuin gene was cloned and recombinant protein, LpSirA, was produced. Subsequently, deacetylase activity of LpSirA was demonstrated and, furthermore, one of the endogenous substrates was identified as 30S ribosomal protein S4. Next, antibody raised against LpSirA was used to analyze intracellular localization of this protein through immuno-staining, observation of living cells harboring sirA-Venus fusion gene, and finally immunoelectron microscopic observation. It was revealed that it localizes either as a loose spiral throughout cell length or a sharp ring at cell division plates and cell poles. Upon generating deletion mutant (ΔsirA) and highly expressing cells (HE), it was revealed that ΔsirA has shorter cell length, and conversely, HE has longer cell length as compared to the wild type strain. These results indicate that sirtuin plays a role in the regulation of protein synthesis and, further, in the regulation of cell division and cell shape, which are very fundamental to cellular life function. Moreover, it was shown to function in certain stress responses. Together, it provokes the idea that if the control of sirtuin expression levels or function can be artificially manipulated, it may offer a new way to improve probiotic merits of lactic acid bacteria, which in turn, may contribute to promoting long and healthy life for the host organisms.

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