カルボキシソーム

化学合成独立栄養細菌Halothiobacillus neapolitanus由来のα-カルボキシソームの電子顕微鏡写真:(A)細胞内に配列した状態、(B)単離直後の状態。スケールバーは100 nmを示す。[ 1 ]

カルボキシソームは、リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ(RuBisCO )(炭素固定の主要酵素であり、カルビン回路の律速酵素)と炭酸脱水酵素で満たされた多面体タンパク質殻からなる細菌性微小区画(BMC)である。[ 2 ]

カルボキシソームは、太古の大気中の酸素濃度の上昇の結果として進化したと考えられています。これは、酸素がルビスコ反応において二酸化炭素と競合する基質となるためです。 [ 3 ]ルビスコの非効率性を克服するために、カルボキシソームは共局在する炭酸脱水酵素活性によって殻内に二酸化炭素を濃縮します。炭酸脱水酵素は、カルボキシソーム内に拡散した重炭酸塩から二酸化炭素を生成します。その結果、ルビスコ付近の二酸化炭素濃度は、リブロース-1,5-ビスリン酸の酸素化の割合を低下させ、それによってコストのかかる光呼吸反応を回避します。周囲の殻は二酸化炭素の損失に対する障壁となり、ルビスコ周辺の二酸化炭素濃度を高めるのに役立ちます。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]

カルボキシソームは、二酸化炭素濃縮機構 (CCM) と呼ばれるより広範な代謝ネットワークの重要な部分であり、次の 2 つの部分で機能します。[ 7 ] (1) 膜トランスポーターは、炭酸脱水酵素のない細胞質に無機炭素 (C i ) を濃縮します。炭素は主に、脂質膜を再通過できないHCO 3 −の形で蓄えられ、中性の CO 2は細胞から容易に逃れることができます。これにより細胞内に炭素が蓄積され、細胞内環境と細胞外環境の間に水中のC i濃度の約 30 倍の不均衡が生じます。 [ 8 ] (2) 細胞質の HCO 3 はカルボキシソームに拡散し、そこでカルボキシソーム炭酸脱水酵素がそれをRubisco の近くで CO 2に脱水し、Rubisco が最大速度で動作できるようにします。

カルボキシソームは細菌の微小コンパートメントの最もよく研​​究された例であり、微小コンパートメントとは、タンパク質の殻を持つという点で似ているが、機能的に多様な細胞小器官を指す用語である。[ 9 ] [ 10 ]

発見

多面体体は、1956年にシアノバクテリアのPhormidium uncinatum透過型電子顕微鏡によって発見されました。 [ 11 ]これらは後に他のシアノバクテリアでも観察されました[ 12 ] 。それらの多くは硫黄酸化細菌または窒素固定細菌です(例えば、HalothiobacillusAcidithiobacillusNitrobacterNitrococcus 。すべてPseudomonadotaに属します)。[ 2 ] [ 13 ]多面体体は、1973年にThiobacillus neapolitanus(現在のHalothiobacillus neapolitanus )から初めて精製され、硬い外殻の中に保持されたRuBisCOを含むことが示されました。[ 14 ]著者らは、これらが二酸化炭素固定に関与する細胞小器官のように見えるため、カルボキシソームと呼ぶべきだと提案しました。[ 14 ]

建築

カルボキシソームの構造モデル。RuBisCOと炭酸脱水酵素は、酵素コア(様々なコアタンパク質によって構成)に配置され、タンパク質シェルで包まれています。

構造的には、カルボキシソームは二十面体、あるいは準二十面体である。電子線クライオトモグラフィー研究[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]により、カルボキシソームがほぼ二十面体であることが確認され、内部のルビスコタンパク質が数層同心円状あるいは線維状の構造をとっていることが画像化されている。[ 15 ] [ 17 ] [ 18 ]一部のカルボキシソームの非二十面体多面体形状は、異質な薄い殻の弾性理論によって自然に説明できる。[ 19 ]

殻タンパク質

カルボキシソームの外殻は数千のタンパク質サブユニットから構成され、面には六量体の殻タンパク質が、12 の 20 面体の頂点には五量体の殻タンパク質が分布している。[ 20 ]殻を形成することが知られているタンパク質は、X 線結晶構造解析によって構造が解析されている。殻の大部分を構成するタンパク質は、環状六量体または擬似六量体を形成し、BMC タンパク質ファミリーに属する。[ 21 ]さまざまな種類のBMC-H六量体には小さな孔が開けられており、小さな基質 (例: 重炭酸塩) や生成物 (3-ホスホグリセリン酸) がカルボキシソーム内外に拡散する経路となっていると考えられる。孔内の正に帯電したアミノ酸は、負に帯電した基質や生成物の拡散を促進すると考えられている。[ 21 ]殻の他のマイナーな構造成分として特徴付けられているものは、二十面体殻の頂点を占める五量体タンパク質( BMC-Pタンパク質)である。 [ 22 ]カルボキシソーム殻の3番目の構成要素は、2つのBMCドメインが直列に並んだタンパク質(BMC-Tタンパク質)である。構造的には、これらは擬似六量体の三量体を形成することが知られている。[ 23 ] [ 24 ] BMC-Tタンパク質ファミリーのメンバーの中には、向かい合って積み重ねられ、小さなケージを形成するものがあり、特に両方のタイプのカルボキシソーム(アルファとベータ、下記参照)には、これらの積み重ねられた三量体が含まれている。[ 23 ] [ 24 ]結晶構造に基づくと、これらのタンパク質ケージは両側に比較的大きなゲート付きの細孔があり、細孔の開閉はエアロックと同様に制御できるのではないかと提案されている。このようなエアロックは、恒常的に開いた孔を持つBMC-Hタンパク質とは対照的に、殻を通過しなければならないより大きな基質(リブロース-1,5-ビスリン酸)と生成物(3-ホスホグリセリン酸)の経路として機能することが示唆されている。[ 23 ] [ 24 ]

大腸菌で空のカルボキシソーム殻を作製することで、クライオ電子顕微鏡によるカルボキシソーム殻の可視化が初めて可能になった。[ 25 ]

ウイルスのタンパク質殻であるカプシドの多くは二十面体で、六量体と五量体のタンパク質で構成されていますが、現在のところカルボキシソーム殻とウイルスカプシドの間に進化的な関係を示唆する証拠はありません。[ 26 ]

足場タンパク質

すべてのカルボキシソームには、組み立ての過程でカルボキシソーム構成成分を核とする足場タンパク質が含まれている。これらの足場タンパク質はカルボキシソームの組み立てに必須であり、これらがなければカルボキシソームは形成されない。 [ 27 ] α-カルボキシソーム足場タンパク質はCsoS2と呼ばれ、β-カルボキシソーム足場タンパク質はCcmMと呼ばれる。CsoS2とCcmMは関連した機能を有するが、進化的または配列上の類似性はない。どちらのタンパク質もRubiscoに結合し、それによってカルボキシソーム生合成中にRubiscoがパッケージ化されることが保証される。[ 28 ] [ 29 ]注目すべきことに、どちらのタンパク質も、小さなサブユニットとの接触を維持しながら2つの大きなサブユニットを橋渡しする結合部位でRubiscoに結合し、16サブユニットのRubiscoホロ酵素のみがカプセル化されることが保証される。CsoS2とCcmMはどちらも反復ドメイン構造を持ち、多価結合モードを与える。 CcmMはルビスコに結合する3つの小サブユニット様(SSUL)ドメインを有し[ 29 ]、CsoS2はルビスコに結合する4つのN末端ドメイン(NTD)リピートを有し[ 28 ]、これにより各スキャフォールドタンパク質は一度に最大3~4個のルビスコに結合することができる。CsoS2はまた、7つの中間領域(MR)リピートとC末端ドメイン(CTD)を介してシェルタンパク質に結合することが示されている[ 27 ] [ 30 ] 。α-カルボキシソームでは、CsoS2のMRリピートがカルボキシソームのサイズを規定することが示されている[ 31 ]。

2種類のカルボキシソーム

カルボキシソームには、α-カルボキシソームとβ-カルボキシソームの2種類があります。外観は似ていますが、タンパク質組成、特に封入するRuBisCOの形態が異なります。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]さらに、研究により、遺伝子構成、そしておそらくは集合経路に根本的な違いがあることが明らかになっています。殻タンパク質のバイオインフォマティクス研究に基づくと、2種類のカルボキシソームは独立して進化したと考えられます。[ 36 ] [ 35 ]

矢印で示すHalothiobacillus neapolitanusの(A)α-カルボキシソームとSynechococcus elongatus PCC 7942の(B)β-カルボキシソームの電子顕微鏡写真。スケールバーは200 nm。

アルファカルボキシソーム

アルファカルボキシソーム(α-カルボキシソーム)は、CSO型カルボキシソームとも呼ばれる。IA型RuBisCOを含み、アルファシアノバクテリアおよびシュードモナドタ属(一部の硝化細菌、 Halothiobacillus neapolitanusなどの一部の硫黄酸化細菌、および一部の紅色細菌)に見られる。アルファカルボキシソームは、精製され、特徴づけられた最初の細菌性微小コンパートメントである。[ 37 ] [ 38 ]

精製されたアルファカルボキシソームまたはアルファカルボキシソームを含む細胞切片の電子顕微鏡研究から、それらの直径が通常100~160 nmであることが明らかになりました。[ 39 ]アルファカルボキシソームのシェルの一般的な構成要素は、CsoS1A/B/C(BMC-H)、CsoS4A/B(BMC-P)、およびCsoS1D(BMC-T)と呼ばれます。CsoS4A/Bは、BMCシェルのマイナーコンポーネントとして実験的に実証された最初のBMC-Pタンパク質でした[ 4 ](イコサヘドロン頂点を覆うのに必要な五量体は12個のみです)。CsoS1Dは、構造的に特徴付けられた最初のBMC-Tであり、2つのBMC構成要素が向かい合って二量体化して小さなケージを作成した最初の例でもあります。 CsoS1D ケージは両端​​にゲート付きの細孔を持ち、これは殻を横切る大きな代謝物の輸送を容易にすると考えられている。[ 24 ] RuBisCO の特定の形態に加えて、足場タンパク質 CsoS2 や炭酸脱水酵素 CsoSCA など、他の封入タンパク質がアルファカルボキシソームとベータカルボキシソームを区別する。 CsoS2 は、アルファカルボキシソームの組み立てに必須の役割を持つ、本質的に無秩序なタンパク質である。 これは非常に高いpIと、N 末端、中間および C 末端ドメインの 3 つのドメインを持つ独自の一次構造を持つ。[ 27 ] [ 40 ]反復モチーフは 3 つの領域すべてで確認でき、N 末端ドメインの繰り返しは Rubisco に結合し、[ 28 ]中間領域のドメインは殻タンパク質に結合し、[ 30 ] C 末端ドメインの繰り返しも殻タンパク質に結合する。[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] CsoSCAはルビスコに結合するβ炭酸脱水酵素であり[ 5 ] [ 44 ] [ 45 ] 、 α-シアノバクテリアにおいてルビスコの基質であるリブロース1-5ビスリン酸(RuBP)によってアロステリックに制御されることがわかっている。 [ 46 ] Halothiobacillus neapolitanusの研究では、カルボキシソームRuBisCOを欠損する変異体では正常な形状と組成の空の殻が組み立てられることが示されており、α-カルボキシソーム殻の生合成と酵素隔離は2つの独立した、しかし機能的に関連したプロセスであることを示唆している。[ 47 ] Halothiobacillus neapolitanusのカルボキシソームRuBisCOのキメラ種や異種種を収容できることが見出されている。RuBisCOの大きなサブユニットが、酵素がカルボキシソームに隔離されるかどうかを決定する。[ 47 ]

ベータカルボキシソーム

ベータカルボキシソーム(β-カルボキシソーム)はシアノバクテリア、特に「ベータシアノバクテリア」に見られます。[ 48 ]

ベータカルボキシソームの特徴的なタンパク質は、IB型RuBisCOとガンマ炭酸脱水酵素ホモログである。[ 9 ]ベータカルボキシソームは典型的にはアルファカルボキシソームよりも大きく、観測される直径は200~400 nmである。[ 27 ]ベータカルボキシソームの形成に不可欠な構造タンパク質は、ccm遺伝子座として知られる保存されたカルボキシソーム遺伝子座[ 10 ]にコードされている。ccm遺伝子座には、コアタンパク質CcmMとCcmN、およびシェルタンパク質CcmK(BMC-Hタンパク質)、CcmL(BMC-Pタンパク質)、CcmO(BMC-Tタンパク質)の遺伝子が含まれている。

全長CcmMタンパク質は、ガンマ炭酸脱水酵素ドメインと、C末端に3~5個のRubisCO小サブユニット様ドメイン(SSLD)から構成されます。[ 49 ] ccmM遺伝子には、SSLDのみで構成されるCcmMの短縮形を生成する内部翻訳部位が含まれています。CcmMの長短両方の形式は、ベータカルボキシソームの組み立てに必要です。[ 50 ] CcmNは、N末端に複数のヘキサペプチド繰り返しドメインと、C末端に短いαヘリカルカプセル化ペプチドを含んでいます。[ 51 ]

β-カルボキシソームの他の構造成分は、ccm遺伝子座の外側にコードされています。CcmPはBMC-Tタンパク質であり、β-カルボキシソームを形成する生物間で完全に保存されています。2つのCcmP擬似ヘキサマーが積み重なってナノコンパートメントを形成します。これはエアロック形成タンパク質の一例です。[ 23 ]同様に、一部のシアノバクテリア株では、β-カルボキシソームにccm遺伝子座にコードされていないβ-炭酸脱水酵素が含まれています。[ 52 ]

βカルボキシソームの殻タンパク質はαカルボキシソームの殻タンパク質に比べて比較的多様であり[ 48 ]、これは生態生理学的に動的な環境に生息するシアノバクテリアに見られるβカルボキシソームの多様な透過性要件を反映しているのではないかと提案されている[ 53 ] 。

β-カルボキシソームは内側から組み立てられる。まず酵素コアが形成され、それが次にタンパク質シェルで包まれる。[ 54 ]カルボキシソームの組み立ては一連のタンパク質間相互作用によって起こる。酵素 RuBisCO と CcmM タンパク質の 2 つのアイソフォーム (完全長と短縮型) は SSLD によって相互作用する。CcaA を含む株では、β-炭酸脱水酵素は完全長 CcmM の N 末端との相互作用によってカルボキシソームコアに取り込まれる。[ 55 ] [ 56 ]プロカルボキシソーム (カルボキシソームコア) が形成されると、アダプタータンパク質 CcmN の N 末端が CcmM の N 末端と相互作用し、CcmN の C 末端は 15~20 アミノ酸長のペプチドを利用してシェルタンパク質 CcmK (BMC-H) と CcmO (BMC-T) をリクルートする。[ 51 ]この封入ペプチドは、シェル成分と相互作用する両親媒性αヘリックスを形成し、それがなければカルボキシソームを形成できないため、その役割は不可欠である。[ 51 ] [ 35 ]最終段階は、BMC-Pタンパク質CcmLによって形成された頂点の追加であり、これが酵素コアとファセットを覆う。[ 54 ] βカルボキシソームの組み立て経路の解明により、カルボキシソーム組み立てにおいて他の4つのタンパク質を置き換える単一の合成タンパク質の設計が可能になった。[ 57 ]

バイオテクノロジーにおけるカルボキシソームの潜在的な用途

他のBMCと同様に、カルボキシソームは植物合成生物学への応用について研究者から大きな注目を集めている。[ 58 ] [ 32 ] [ 59 ] α-カルボキシソームをコードする遺伝子モジュールの導入により、大腸菌でカルボキシソーム様構造が生成されることが示された。[ 60 ]カルボキシソームシェルのバイオエンジニアリングは実現可能であることが示されており、キメラタンパク質またはキメラシェルで構築されたβ-カルボキシソームが報告されている。[ 61 ]シアノバクテリアに見られるようなCO2濃縮メカニズムの一部として植物葉緑体にカルボキシソームを導入すると、[ 62 ] [ 63 ]正味CO2固定および収量が大幅に向上すると予測される。[ 64 ] [ 65 ]タバコ葉緑体におけるβ-カルボキシソームシェルタンパク質[ 66 ]およびフォームIB Rubisco-CcmM複合体の発現は達成されているが[ 67 ] RuBisCOを含むコンパートメントは得られていない。さらなる進歩として、シアノバクテリアCyanobium PCC7001由来のフォームIA RubiscoとCsoS1AおよびCsoS2タンパク質を含む最小限のα-カルボキシソームがタバコ葉緑体中に構築された。[ 68 ]今のところ、植物葉緑体において識別可能な機能を持つカルボキシソームは構築されていない。このアプローチを用いた植物の光合成の改善は、最終的には葉緑体内膜の輸送タンパク質の働きに依存し、葉緑体内に高濃度の重炭酸イオンを生成するのに役立っている。[ 69 ]

カルボキシソームの潜在的な用途(リスト形式):

  1. 二酸化炭素濃縮機構(CCM)とカルボキシソームを産業上重要な微生物に組み込むことで、従属栄養生物を混合栄養生物または自栄養生物に変換し、CO2を捕捉しながら高付加価値製品を生産できるようになる可能性がある[ 70 ]
  2. 二酸化炭素濃縮機構 (CCM) とカルボキシソームを植物に組み込むことで、CO2 の捕捉量を増やし成長を促進します。
  3. より高速なRubiscosを設計する。最も高速な原核生物Rubiscos I型は、主にα-カルボキシソームに見られる。[ 71 ]
  4. 最小限のカルボキシソーム遺伝子セット (Rubisco、炭酸脱水酵素、足場タンパク質、六量体シェル、五量体シェル) を設計して、代替宿主生物への容易なエンジニアリングを実現します。
  5. 無細胞 CO2 固定用の in vitro カルボキシソーム設計します。
  6. カルボキシソームを改変して代替代謝を行う。[ 42 ] [ 72 ]

カルボキシソームレビュー(年別)

カルボキシソーム研究は年々拡大しています。発表されたレビューは、「カルボキシソーム学」という広範な分野における発見の急速なペースを示しています。

第一著者 タイトル リンク
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バジャーとプライス シアノバクテリアと微細藻類におけるCO2濃縮機構[ 74 ]1992 [2]
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Kinneyら カルボキシソーム殻タンパク質の比較分析[ 79 ]2011 [7]
モロニーら 光呼吸と炭素濃縮機構:高酸素・低二酸化炭素条件への2つの適応[ 80 ]2013 [8]
Raeら 2種類のカルボキシソームの機能、構成、進化:シアノバクテリアと一部のプロテオバクテリアにおけるCO2固定を促進する多面体微小区画[ 81 ]2013 [9]
ハンソンら C3植物へのカルボキシソームの導入に向けて[ 82 ]2016 [10]
ロングら シアノバクテリアのCO₂濃縮機構構成要素:機能と植物代謝工学への展望[ 83 ]2016 [11]
カーフェルドとメルニッキ シアノバクテリアカルボキシソームの組み立て、機能、進化[ 84 ]2016 [12]
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ヘナシーとジョニカス 陸上植物への生物物理学的CO2濃縮機構の導入による収量向上の展望[ 87 ]2020 [15]
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ハフィンら 細菌微小コンパートメントにおける生化学反応の計算モデル化と進化的意味合い[ 89 ]2021 [17]
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参照

参考文献

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