カフェイン抵抗性サッカロミセス・セレビシエ株の進化工学と分子特性の解明（英文

Evolutionary engineering and molecular characterization of a caffeine-resistant Saccharomyces cerevisiae strain.

• Yusuf Sürmeli
• Can Holyavkin
• Alican Topaloğlu
• Mevlüt Arslan
• Halil İbrahim Kısakesen
• Zeynep Petek Çakar

抄録

カフェインは天然に存在するアルカロイドで、コーヒー、清涼飲料水、紅茶などの飲料で主に消費されています。酵母をはじめとする多様な生物に対するカフェインの影響については様々な報告があるものの、カフェインに対する耐性や応答の複雑な分子基盤は未だ解明されていない。本研究では、カフェイン過耐性で遺伝的に安定なSaccharomyces cerevisiaeの突然変異体を、カフェインストレスレベルが徐々に上昇する中で、バッチ選択を用いて、選択前の初期個体群の突然変異誘発を行わずに、進化工学的に初めて得た。選択された変異体は、我々の知る限りでは、これまでS. cerevisiaeでは報告されていない50mMのカフェインに耐性を持つことができた。また，この変異体は細胞壁を破壊する薬剤であるリチターゼに対しても耐性を示し，ラパマイシン，アンチマイシン，コニフェリルアルデヒド，シクロヘキシミドなどの様々な化合物に対して交差耐性を示した。また、比較トランスクリプトーム解析の結果、エネルギー保存・生産経路に関わる遺伝子や多能性薬剤耐性に関わる遺伝子が過剰に発現していることが明らかになった。また、全ゲノム再配列解析の結果、カフェイン高耐性変異体のうち、PDR1、PDR5、RIM8の3つの遺伝子のみに一塩基多型が確認され、カフェイン高耐性に関与している可能性が示唆された。

Caffeine is a naturally occurring alkaloid, where its major consumption occurs with beverages such as coffee, soft drinks and tea. Despite a variety of reports on the effects of caffeine on diverse organisms including yeast, the complex molecular basis of caffeine resistance and response has yet to be understood. In this study, a caffeine-hyperresistant and genetically stable Saccharomyces cerevisiae mutant was obtained for the first time by evolutionary engineering, using batch selection in the presence of gradually increased caffeine stress levels and without any mutagenesis of the initial population prior to selection. The selected mutant could resist up to 50 mM caffeine, a level, to our knowledge, that has not been reported for S. cerevisiae so far. The mutant was also resistant to the cell wall-damaging agent lyticase, and it showed cross-resistance against various compounds such as rapamycin, antimycin, coniferyl aldehyde and cycloheximide. Comparative transcriptomic analysis results revealed that the genes involved in the energy conservation and production pathways, and pleiotropic drug resistance were overexpressed. Whole genome re-sequencing identified single nucleotide polymorphisms in only three genes of the caffeine-hyperresistant mutant; PDR1, PDR5 and RIM8, which may play a potential role in caffeine-hyperresistance.