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写真 分子遺伝学研究室
大腸菌は、分子生物学が誕生してから数十年間にわたって世界中の研究者が集中して研究してきたために、分子レベルで最もよく理解されている生物です。そのため基礎研究の面では他の生物では難しい研究テーマを扱える研究材料であり、また応用面でも多くの物質生産の宿主などとして広く利用されています。この大腸菌について、これまで染色体広域欠失変異群、ゲノム縮小株などを作製してきましたが、さらに進んだゲノム改変技術の開発、及び合成生物学的研究を行っています。
教 員
教 授 加藤 潤一 e-mail
大腸菌最小必須遺伝子群の同定と機能未知必須遺伝子群、生存に重要な遺伝子群の機能解析
細胞増殖に最低限必須な全ての遺伝情報を同定するために、我々は染色体の比較的長い領域にわたる欠失変異株を系統的網羅的に作製しました。このような欠失変異を利用することによって、小さな必須遺伝子や、遺伝子をコードしない必須な染色体領域などをも含めた形で、全ての必須遺伝情報を同定できるのです。我々はこれまでに複製起点を除く染色体全領域について、必須遺伝子はプラスミドによって相補させた形で染色体広域欠失変異を作製し、その過程でいくつかの新しい必須遺伝子を見つけました。また欠失変異を組み合わせて、染色体の大きさを30%以上も小さくすることにも成功しました。このように大規模に染色体を改変した生物の作製は、世界で初めての例です。最終的には必須遺伝子群だけを持つ、"ミニ大腸菌"を、作ってみたいと思っています。
 さらに生きていくのに必須な遺伝子群を見つけるだけでなく、それらの細胞内での機能を全て明らかにしたいと思っています。そのために我々はまず遺伝学的な方法を使っています。必須遺伝子のミュータント(高温感受性変異株)を単離し、高温で培養した時の表現型を調べると、その遺伝子の機能に関するヒントが得られることがあります。またサプレッサーミュータント(抑圧変異株)を単離することによって、機能的に関連する他の遺伝子を見つけられることがあります。これらを手がかりに、生化学的、分子生物学的な方法によって、機能を具体的に明らかにしていきます。我々は特に染色体の複製、分配、細胞分裂の機構に興味を持っており、これまでにトポイソメラーゼIV、Hdaタンパク質など重要な因子を発見してきました。最近はこれまで難しくて解析が困難だった、定常期の生存に重要な遺伝子群、バイパスのある生育に必須な過程に重要な遺伝子群などにも取り組み、たくさんの興味深い知見を得ています。
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大腸菌における光合成機能の再構成
近年遺伝子組換え技術を利用して、これまでになかった性質をもつ生物を作製する合成生物学が盛んになってきています。 我々は大腸菌に光合成細菌の遺伝子群を導入することによって「光合成をする大腸菌」を作製する試みを始めており、これまでに光合成に必須な色素であるカロテノイドやバクテリオクロロフィルの中間体を大腸菌で合成させることに成功しています。
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最近の研究業績
  1. Watanabe, K., Tominaga, K., Kitamura, M., and Kato, J. (2016) Systematic identification of synthetic lethal mutations with reduced-genome Escherichia coli: synthetic genetic interactions among yoaA, xthA and holC related to survival from MMS exposure. Genes Genet. Syst. 91: 183-188.
  2. 加藤潤一 (2016). ゲノム縮小株作製による生育に重要な遺伝子群の解析.(セミナー室:合成生物学を意識した核酸改変技術の現状と展望-2)化学と生物54 (8): 575-579.
  3. Kurata, T., Nakanishi, S., Hashimoto, M., Taoka, M., Yamazaki, Y., Isobe, T., and Kato, J. (2015) Novel essential gene involved in 16S rRNA processing in Escherichia coli. J Mol. Biol. 427: 955-965.
  4. Nishimura, T., Hayashi, K., Suzuki, H., Gyohda, A., Takaoka, C., Sakaguchi, Y., Matsumoto, S., Kasahara, H., Sakai, T., Kato, J., Kamiya, Y., and Koshiba, T. (2014) Yucasin is a potent inhibitor of YUCCA, a key enzyme in auxin biosynthesis. The Plant Journal. 77: 352-366.
  5. Hashimoto, C., Hashimoto, M., Honda, H., and Kato, J. (2013) Effects on IS1 transposition frequency of a mutation in the ygjD gene involved in an essential tRNA Modification in Escherichia coli. FEMS Microbiology Letter. 347: 140-148.
  6. Iwamoto, A., Osawa, A., Kawai, M., Honda, H., Yoshida, S., Furuya, N., and Kato, J. (2012) Mutations in the essential Escherichia coli gene, yqgF, and their effects on transcription. J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 22: 17-23.
  7. Hashimoto, C., Sakaguchi, K., Taniguchi, Y., Honda, H., Oshima, T., Ogasawara, N., and Kato, J. (2011) Effects on transcription of mutations in ygjD, yeaZ, and yjeE genes involved in a universal tRNA modification in Escherichia coli. J. Bacteriol. 193: 6075-6079.
  8. Iwadate, Y., Honda, H., Sato, H., Hashimoto, M. and Kato, J. (2011) Oxidative stress sensitivity of engineered Escherichia coli cells with a reduced genome. FEMS Microbiology Letter. 322: 25-33.
  9. Tachikawa, T., and Kato, J. (2011) Suppression of the temperature-sensitive mutation of the bamD gene required for the assembly of outer membrane proteins by multicopy of the yiaD gene in Escherichia coli. Biosci. Biotechnol. Biochem. 75: 162-164.
  10. Inoue, A., Murata, Y., Takahashi, H., Tsuji, N., Fujisaki, S., and Kato, J. (2008) Involvement of an essential gene, mviN, in murein synthesis in Escherichia coli. J. Bacteriol. 190: 7298-7301.
  11. Mizoguchi, H., Sawano, Y., Kato, J., and Mori, H. (2008) Superpositioning of deletions promotes growth of Escherichia coli with a reduced genome. DNA Research 15: 277-284.
  12. Yamazaki, Y., Niki, H., and Kato, J. (2008) Profiling of Escherichia coli chromosome database. Methods in Molecular Biology 416: 385-389. Microbial Gene Essentiality: Protocols and Bioinformatics (Edited by : A. L. Osterman and S. Y. Gerdes), Humana Press Inc., Totowa, NJ
  13. Kato, J. and Hashimoto, M. (2008) Construction of long chromosomal deletion mutants of Escherichia coli and minimization of the genome. Methods in Molecular Biology (Microbial Gene Essentiality - Protocols and Bioinformatics) 416: 279-293. (Osterman, A. L. and Gerdes, S. Y. (ed.), Humana Press, Totowa, New Jersey)
  14. Kato, J. and Hashimoto, M. (2007) Construction of consecutive deletions of the Escherichia coli chromosome, Mol. Syst. Biol. 3: Article number 132
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  16. Ote, T., Hashimoto, M., Ikeuchi, Y., Su'etsugu, M., Suzuki, T., Katayama, T., and Kato, J. (2006) Involvement of the Escherichia coli folate-binding protein YgfZ in RNA modification and regulation of chromosomal replication initiation . Mol. Microbiol. 59: 265-275.
  17. Kato, J. (2005) Regulatory network of the initiation of chromosomal replication in Escherichia coli. Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol. (Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology) 40: 331-342.
  18. Ikeuchi, Y., Soma, A., Ote, T., Kato, J., Sekine, Y., and Suzuki, T. (2005) Molecular mechanism of lysidine synthesis that determines tRNA identity and codon recognition. Mol. Cell 19: 235-246.
  19. Hashimoto, M., Ichimura, T., Mizoguchi, H., Tanaka, K., Fujimitsu, K., Keyamura, K., Ote, T., Yamakawa, T., Yamazaki, Y., Mori, H., Katayama, T. and Kato, J. (2005) Cell size and nucleoid organization of engineered Escherichia coli cells with a reduced genome. Mol. Microbiol. 55: 137-149.
  20. Soma, A., Ikeuchi, Y., Kanemasa, S., Kobayashi, K., Ogasawara, N., Ote, T., Kato, J., Watanabe, K., Sekine, Y., and Suzuki, T. (2003) An RNA-modifying enzyme that governs both the codon and amino acid specificities of isoleucine tRNA. Mol. Cell 12:689-698.
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  22. Kato, J. and Katayama, T. (2001) Hda, a novel DnaA-related protein, regulates the replication cycle in Escherichia coli. EMBO Journal 20: 4253-4262.
  23. Kato, J., Fujisaki, S., Nakajima, K., Nishimura, Y., Sato, M., and Nakano, A. (1999) The E. coli homologue of yeast Rer2, a key enzyme of dolichol synthesis, is essential for carrier lipid formation in bacterial cell wall synthesis. J. Bacteriol. 181: 2733-2738.
  24. Tsukamoto, Y., Kato, J., and Ikeda, H. (1997) Silencing factors participate in DNA repair and recombination in Saccharomyces cerevisiae. Nature 388: 900-903.
  25. Shimizu, H., Yamaguchi, H., Ashizawa, Y., Kohno, Y., Asami, M., Kato, J., and Ikeda, H. (1997) Short-homology-independent illegitimate recombination in Escherichia coli: distinct mechanism from short-homology-dependent illegitimate recombination. J. Mol. Biol. 266: 297-305.
  26. Yokochi, T., Kato, J., and Ikeda, H. (1996) DNA nicking by Escherichia coli topoisomerase IV with a substitution mutation from tyrosine to histidine at the active site. Genes to Cells 1: 1069-1075.
  27. Kato, J., Suzuki, H., and Ikeda, H. (1992). Purification and characterization of DNA topoisomerase IV in Escherichia coli. J. Biol. Chem. 267: 25676-25684.
  28. Kato, J., Nishimura, Y., Imamura, R., Niki, H., Hiraga, S., and Suzuki, H. (1990). New topoisomerase essential for chromosome segregation in E. coli. Cell 63: 393-404.
©2017 Department of Biological Sciences, Tokyo Metropolitan University