邊見 久 (Hisashi HEMMI)

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博士(工学) 名古屋大学大学院生命農学研究科 教授

PhD (Engineering), Professor in Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University

略歴/ Short CV

1993年3月東北大学工学部分子化学工学科卒業。1998年3月東北大学大学院工学研究科生物工学専攻博士課程修了の後、同年4月より同助手(2004年9月から翌6月まで米国ネブラスカ大学リンカーン校に研究留学)。2005年8月より名古屋大学助教授。2007年4月より現職。

1993.3. BS in Department of Molecular Chemistry and Engineering, School of Engineering, Tohoku University; 1998.3. PhD in Department of Biomolecular Engineering, Graduate School of Engineering, Tohoku University; 1998.4.-2005.7. Research Associate in Graduate School of Engineering, Tohoku University (2004.9.-2005.6. Visiting Scientist in University of Nebraska-Lincoln); 2005.8.-2022.4. Associate Professor in Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University; 2022.5.- Professor in Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University

研究テーマの紹介/ Introduction of research themes

アーキア(古細菌、もしくは始原菌と訳される)はその多くが高熱、高塩濃度といった極限環境から単離されている単細胞生物(図1)ですが、ユーカリア(真核生物)、バクテリア(真正細菌)と並ぶ第三の生物群を構成しており、生物および酵素の進化を考える上できわめて興味深い存在です。これらの分類(各生物群はドメインと呼ばれる)はリボソーム小サブユニットRNAの塩基配列の類似性に基づいたものですが、それ以外にもこれらの生物群を分ける特徴が多数存在します。アーキアの特徴の1つに、他生物との膜脂質構造の違いが挙げられます(図2)。他生物のグリセロ膜脂質が直鎖脂肪酸を疎水部分とするのに対し、アーキアのそれは完全飽和したプレニル基を有しています。すなわち、アーキアの膜脂質は、炭素数5のイソプレン単位を構成要素とする、イソプレノイドと呼ばれる化合物群に属しています。この他にも、アーキアは様々な脂溶性イソプレノイド化合物、例えば呼吸鎖キノン、カロテノイド、糖キャリア脂質などを合成しており、アーキアにおけるイソプレノイド生合成の重要性はきわめて高いと言えます。我々はこれまでにイソプレノイド脂質代謝の基幹部分を触媒する新奇酵素群を好熱性アーキアおよびメタン生成アーキアから見出し、その特性や反応機構を明らかにしてきましたが(図3)、同時にそれらアーキア由来酵素の分子進化上の位置づけについても興味を持って調べてきました。ユーカリアの起源に関しては、アーキアとバクテリアの共生に由来するとする説が唱えられており、実際に多くのアーキア酵素はユーカリアの酵素に近い特徴を持っています。したがってアーキア酵素の研究で得られた情報が将来創薬などに役立つ可能性もあります。また、我々はイソプレノイド化合物の発達においてアーキアが果たして来た役割にも興味を持っています。アーキアの脂質生合成研究という視点から、生物、代謝、酵素、および化合物の進化の歴史を紐解きたいと考えています。

Archaea are unicellular organisms (Fig. 1), many of which have been isolated from extreme environments such as high temperature and high salt concentrations. They constitute a third group of organisms, along with Eukarya and Bacteria, and thus are of great interest in the evolution of organisms and enzymes. Although this taxonomic grouping (each taxomonic group is referred to as a domain) is based on similarities in the sequence of ribosomal small subunit RNAs, there are many other features that separate Archaea from other groups. One of the characteristics of archaea is the difference in membrane lipid structure from other organisms (Fig. 2). Whereas the glycerolipids of bacteria and eukaryotes have fatty acids as hydrophobic moieties, those of archaea have fully saturated prenyl groups instead. In other words, archaeal membrane lipids belong to a group of compounds called isoprenoids, which are composed of 5-carbon isoprene units. Archaea also synthesize various hydrophobic isoprenoid compounds, such as respiratory chain quinones, carotenoids, and sugar carrier lipids, and therefore isoprenoid biosynthesis in archaea is of great importance. We have identified novel enzymes from thermophilic or methanogenic archaea that catalyze key reactions of isoprenoid lipid metabolism and clarified their properties and reaction mechanisms (Fig. 3). A theory has been proposed that the symbiosis between archaea and bacteria is the origin of eukaryotes, and in fact, many archaeal enzymes have features similar to those of eukaryotes. Therefore, the information obtained from archaeal enzyme research may be valuable in the future, for example, for drug discovery. We are also interested in the role that archaea has played in the development of isoprenoid compounds. We hope to unravel the evolutionary history of organisms, metabolisms, enzymes, and compounds from the perspective of biosynthetic study on archaeal lipids.

図1 米国イエローストーン国立公園の強酸性(pH〜2)の温泉
(右上は高度好熱好酸性アーキアSulfolobus acidocaldariusの電子顕微鏡写真)

Fig. 1 Acidic hot spring in Yellowstone National Park
inset: EM image of a thermoacidophile, Sulfolobus acidocaldarius

図2 一般的な膜脂質の構造(Xは親水性頭部を示す)

Fig. 2 Structures of general membrane lipids (X represents a hydrophobic head group)

図3 好熱性アーキアにおけるイソプレノイド生合成(これまでに研究対象とした酵素をピンクで示した)

Fig. 3 Isoprenoid biosynthesis in thermophilic archaea (Enzymes that have been studied so far by us are shown in pink.)

最近の査読付き論文/ Recent publications

  1. Aoki, M., Vinokur, J., Motoyama, K., Ishikawa, R., Collazo, M., Cascio, D., Sawaya, M.R., Ito, T., Bowie, J.U. & Hemmi, H. (2022) Crystal structure of mevalonate 3,5-bisphosphate decarboxylase reveals insight into the evolution of decarboxylases in the mevalonate metabolic pathways. Journal of Biological Chemistry, in press.
  2. Tanaka, Y., Yoshimura, T., Hakamata, M., Saito, C., Sumitani, M., Sezytsu, H, Hemmi, H. & Ito, T. (2022) Identification and characterization of a serine racemase in the silkworm Bombyx mori. Journal of Biochemistry, in press.
  3. Sompiyachoke, K., Nagasaka, A., Ito, T. & Hemmi, H. (2022) Identification and biochemical characterization of a heteromeric cis-prenyltransferase from the thermophilic archaeon Archaeoglobus fulgidus. Journal of Biochemistry, in press.
  4. Abe, T., Hakamata, M., Nishiyama, A., Tateishi, Y., Matsumoto, S., Hemmi, H., Ueda, D. & Sato, T. (2022) Identification and functional analysis of a new type of Z,E-mixed prenyl reductase from mycobacteria. FEBS Journal, in press.
  5. Ashida, H., Murakami, K., Inagaki, K., Sawa, Y., Hemmi, H., Iwasaki, Y. & Yoshimura, T. (2022) Evolution and properties of alanine racemase from Synechocystis sp. PCC6803. Journal of Biochemistry, in press.
  6. Ito, T., Ogawa, H., Hemmi, H., Downs, D.M. & Yoshimura, T. (2022) Mechanism of pyridoxine 5'-phosphate accumulation in PLPBP protein-deficiency. Journal of Bacteriology, in press.
  7. Ishibashi, Y., Matsushima, N., Ito, T. & Hemmi, H. (2022) Isopentenyl diphosphate/dimethylallyl diphosphate-specific Nudix hydrolase from the methanogenic archaeon Methanosarcina mazei. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 86, 246-253.
  8. Yasuno, Y., Nakayama, A., Saito, K., Kitsuwa, K., Okamura, H., Komeyama, M., Hemmi, H. & Shinada, T. (2021) Total synthesis and structure confirmation of trans-anhydromevalonate-5-phosphate, a key biosynthetic intermediate of the archaeal mevalonate pathway. Journal of Natural Products. 84, 2749-2754.
  9. Okada, M., Unno, H., Emi, K.-i., Matsumoto, M. & Hemmi, H. (2021) A versatile cis-prenyltransferase from Methanosarcina mazei catalyzes both C- and O-prenylations. Journal of Biological Chemistry. 296, 100679.
  10. Ito, T., Tono, M., Kitaura, Y., Hemmi, H. & Yoshimura T. (2021) Urinary L-erythro-β-hydroxyasparagine - a novel serine racemase inhibitor and substrate of the Zn2+-dependent D-serine dehydratase. Bioscience Reports. 41, BSR20210260.
  11. Yoshida, R., Hemmi, H. (2020) Construction of an artificial biosynthetic pathway for hyperextended archaeal membrane lipids in the bacterium Escherichia coli. Synthetic Biology. 5:ysaa018.
  12. Ito, T., Matsuoka, M., Goto, M., Watanabe, S., Mizobuchi, T., Matsushita, K., Nasu, R., Hemmi, H., Yoshimura, T. (2020) Mechanism of eukaryotic serine racemase-catalyzed serine dehydration. Biochimica et Biophysica Acta - Proteins and Proteomics. 1868:140460.
  13. Yoshida, R., Yoshimura, T. & Hemmi, H. (2020) Reconstruction of the 'archaeal' mevalonate pathway from the methanogenic archaeon Methanosarcina mazei in Escherichia coli cells. Applied Environmental Microbiology. 86, e02889-19.
  14. Ito, T., Hori, R., Hemmi, H., Downs, DM., & Yoshimura. T. (2020) Inhibition of glycine cleavage system by pyridoxine 5'-phosphate causes synthetic lethality in glyA yggS and serA yggS in Escherichia coli. Molecular Microbiology. 113, 270-284.
  15. Emi, K.-i., Sompiyachoke, K., Okada, M. & Hemmi, H. (2019) A heteromeric cis-prenyltransferase is responsible for the biosynthesis of glycosyl carrier lipids in Methanosarcina mazei. Biochemical and Biophysical Research Communications. 520, 291-296.
  16. Ito, T., Yamamoto, K., Hori, R., Yamauchi, A., Downs, DM., Hemmi, H. & Yoshimura. T. (2019) Conserved pyridoxal 5'-phosphate binding protein YggS impacts amino acid metabolism through pyridoxine 5'-phosphate in Escherichia coli. Applied and Environmental Microbiology. 85, e00430-19.
  17. Motoyama, K., Sobue, F., Kawaide, H., Yoshimura, T. & Hemmi, H. (2019) Conversion of mevalonate 3-kinase into 5-phosphomevalonate 3-kinase by single amino acid mutations. Applied Environmental Microbiology. 85, e00256-19.
  18. Hayakawa, H., Motoyama, K., Sobue, F., Ito, T., Kawaide, H., Yoshimura, T. & Hemmi, H. (2018) Modified mevalonate pathway of the archaeon Aeropyrum pernix proceeds via trans-anhydromevalonate 5-phosphate. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 115, 10034-10039.
  19. Hayashi, Y., Ito, T., Yoshimura, T. & Hemmi, H. (2018) Utilization of an intermediate of the methylerythritol phosphate pathway, (E)-4-hydroxy-3-methylbut-2-en-1-yl diphosphate, as the prenyl donor substrate for various prenyltransferases. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. 82, 993-1002.
  20. Ito, T., Tokoro, M., Hori, R., Hemmi, H. & Yoshimura, T. (2018) Production of ophthalmic acid using engineered Escherichia coli. Applied and Environmental Microbiology. 84, e02806-17.
  21. Ito, T., Hamauchi, N., Hagi, T., Morohashi, N., Hemmi, H., Sato, Y.G., Saito, T. & Yoshimura, T. (2018) D-Serine metabolism and its importance in development of Dictyostelium discoideum. Frontiers in Microbiology. 9:784.
  22. Yoshida, R., Yoshimura, T. & Hemmi, H. (2018) Biosynthetic machinery for C25,C25-diether archaeal lipids from the hyperthermophilic archaeon Aeropyrum pernix. Biochemical and Biophysical Research Communications. 497, 87-92.
  23. Ito, T., Yu, Z., Yoshino, I., Hirozawa, Y., Yamamoto, K., Shinoda, K., Watanabe, A., Hemmi, H., Asada, Y. & Yoshimura, T. (2017) Occurrence of the (2R,3S)-isomer of 2-amino-3,4-dihydroxybutanoic acid in the mushroom Hypsizygus marmoreus. J. Agric. Food Chem., 65, 6131-6139.
  24. Hayakawa, H., Sobue, F., Motoyama, K., Yoshimura, T. & Hemmi, H. (2017) Identification of enzymes involved in the mevalonate pathway of Flavobacterium johnsoniae. Biochemical and Biophysical Research Communications. 487, 702-708.
  25. Motoyama, K., Unno, H., Hattori, A., Takaoka, T., Ishikita, H., Kawaide, H., Yoshimura, T. & Hemmi, H. (2017) A single amino acid mutation converts (R)-5-diphosphomevalonate decarboxylase into a kinase. Journal of Biological Chemistry. 292, 2457-2469.

PubMed search results

受賞、執筆、その他/ Others

長瀬研究振興賞(2019年4月)
日本ビタミン学会奨励賞受賞(2010年6月)
酵素応用シンポジウム研究奨励賞受賞(2009年6月)
ビタミン・バイオファクター総合事典、朝倉書店(2021年6月刊行、2.2.2 ビタミンB2 構造・化学の執筆を担当)
生体膜の分子機構:リピッドワールドが先導する生命科学、化学同人(2014年11月刊行、第2章「古細菌の膜と脂質」p. 41-62を執筆)
Flavins and Flavoproteins 2011, Lulu (2013年3月刊行、国際学会のProceedings: Hemmi, H. and Unno, H., The catalytic role of reduced flavin mononucleotide in type 2 isopentenyl diphosphate isomerase, p. 33-41)
Handbook of Flavoproteins: Volume 1ーOxidases, Dehydrogenases and Related Systems, Walter de Gruyter (2012年12月刊行、全2巻のうちの1巻目、第3章を担当: Hemmi, H., Flavoenzymes involved in non-redox reactions, p. 57-73)
Comprehensive Natural Product II, Elsevier (2010年1月刊行、全10巻の大著のうち一部の執筆を担当:Kuzuyama, T., Hemmi, H., & Takahashi, S., Mevalonate Pathway in Bacteria and Archaea, vol.1, p. 493-516)
酵素ハンドブック第3版、朝倉書店(2008年5月刊行、著者多数、一部の酵素について執筆担当)
邊見 久、ミニレビュー「古細菌型メバロン酸経路の発見」、生化学、2021年 第93巻第2号 p.221-224
邊見 久、研究最前線、極限環境生物学会誌、2019年 第17巻 p.3-4
邊見 久、研究紹介「古細菌からの新奇変形メバロン酸経路の発見」、トレーサー、2019年 第65巻 p.2-6
邊見 久、トピックス「大腸菌をプラットフォームとしたアーキア膜脂質生合成研究」、酵素工学ニュース、2016年 第76号 p.11-15
邊見 久、総説「メバロン酸経路の多様性」、バイオサイエンスとインダストリー、2016年 第74巻第1号 p.15-20
邊見 久、今日の話題「好熱性アーキアThermoplasma acidophilumに見いだされた新しいタイプのメバロン酸経路」、化学と生物、2015年 第53巻第3号 p.146-147
邊見 久、ミニレビュー「ユニークなフラビン酵素:タイプ2イソペンテニル二リン酸イソメラーゼ」、生化学、2011年 第83巻第4号 p.304-307
邊見 久、総合論文「古細菌イソプレノイド生合成に関わるタイプ2イソペンテニル二リン酸イソメラーゼにおけるフラビン補酵素の特異な機能」、ビタミン、2011年 第85巻第1号 p.1-8
邊見 久、解説「アーキアにおける膜脂質生合成」、化学と生物、2010年 第48巻第9号 p.614-621
邊見 久、トピックス「イソプレノイド代謝にみるフラビン補酵素のユニークな機能」、バイオサイエンスとインダストリー、2010年 第68巻第6号 p.421-423
邊見 久、バイオミディア「フラビン酵素の新機能?」、生物工学会誌、2010年 第88巻第3号 p.122
邊見 久、総説「タイプ2イソペンテニル二リン酸イソメラーゼの反応機構」、ビタミン、2008年 第82巻第11号 p.581-588
邊見 久、今日の話題「アーキアにおけるイソプレノイド脂質の生合成」、化学と生物、2007年 第45巻第9号 p.596-598
邊見 久、バイオミディア「ホスミドマイシン―抗マラリア薬としての再発見」、生物工学会誌、2000年 第78巻第8号 p.338

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名古屋大学大学院生命農学研究科 応用生命科学専攻
応用酵素学研究室
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