プルケリミン酸は鉄の利用可能性を調節し、微生物相互作用中の酸化ストレスから保護します

Sep 25, 2023

Nature Communications volume 14、記事番号: 2536 (2023) この記事を引用

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シデロフォアは、鉄の酸化型である Fe(III) に結合する可溶性分子または膜に埋め込まれた分子であり、微生物による鉄の獲得に役割を果たします。 Fe(III) 結合シデロフォアは特定の受容体に結合し、微生物が鉄を獲得できるようにします。 しかし、特定の土壌微生物は、鉄(III)と結合すると沈殿物(プルケリミン)を形成する化合物(プルケリミン酸、PA)を放出します。この沈殿物は、鉄の獲得に寄与するというよりも、鉄の利用可能性を低下させることによって機能すると思われます。 ここでは、PA が特異な鉄管理システムに関与していることを示すために、枯草菌 (PA 生産者) とシュードモナス プロテゲンを競合モデルとして使用します。 競合物質の存在により PA の生成が誘導され、プルケリミンとして Fe(III) が沈殿します。これにより、フェントン反応と有害な ROS 形成が制限され、B. subtilis の酸化ストレスが防止されます。 さらに、枯草菌は、その既知のシデロフォアであるバシリバクチンを使用して、プルケリミンから鉄(III)を回収します。 私たちの発見は、PAが鉄の利用可能性を調節し、種間競争中の酸化ストレスに対する保護を与えることにより、複数の役割を果たすことを示しています。

鉄 (Fe) は、地球上のほとんどの生物の生存と成長に高い細胞濃度で必要とされる必須金属です。 土壌中に豊富に含まれていますが、その溶解度、したがってその生物学的利用能は、周囲中性 pH (約 10-10 M) では非常に低くなります1。 需要は高いが供給が少ないというこの難題を解決するために、土壌細菌は鉄(III)2 に対して高い親和性を持つ低分子量化合物であるシデロフォアを生成します。 特定の輸送システムにより、Fe が細胞に取り込まれ、さまざまな細胞経路やタンパク質で利用されることが可能になります 3、4、5。 土壌微生物はしばしば鉄を求めて競合し、鉄に対するさまざまな親和性を持つ複数の親鉄剤の生成や、時にはゼノシデロフォアを含む親鉄剤に結合できる細胞表面でのさまざまな受容体の発現など、鉄の獲得を最大化するメカニズムを進化させてきました6、7、8。 、９． 種間競争では、シデロフォアの分泌により、急速な鉄の独占を通じて成長の利点がもたらされます10。 しかし、競合他社が鉄をだまして鉄を獲得することもできるため、鉄鉄による鉄隔離は諸刃の剣になる可能性があり、鉄鉄の生合成の代謝コストを共有することなく鉄を入手できます9,11。

同じ合成経路を使用して、枯草菌は 2 つのシデロフォアを生成します。1 つは比較的弱い結合親和性の 2,3-ジヒドロキシ安息香酸 (DHB、1 つのカテコール官能基) と、強い結合親和性のバシリバクチン (BB、3 つのカテコール官能基) です 12。 プルケリミン酸（PA）は、酵母や B. subtilis を含む多くの細菌によって産生されるもう 1 つの鉄キレート分子 13、14、15 であり、2 つのヒドロキサマート基を有し、Fe(III) と結合すると赤色の不溶性プルケリミン複合体を形成します 15、16、17。 最近、プルケリミン (PA-Fe) の細胞外蓄積がバイオフィルムの拡大を制限することが示され、PA が枯草菌の指数関数期から定常期への移行を引き起こす細胞間シグナルとして機能することが示唆されました 14,18。 プルケリミンは、カンジダ種を含む少数の酵母菌グループで最初に報告されました。 およびKluyveromyces spp.15、19。 これらの生物では、おそらく鉄欠乏による PA の産生に拮抗作用があることが示されました 20。 Kluyveromyces lactis では、PA がシデロフォアとして作用する可能性があることが示唆されましたが、プルケリミン複合体は不溶性であり、明らかに生体利用可能な Fe 源ではないため、これは矛盾した考えです 19,21。 実際、酵母およびバチルスに関するこれまでのほぼすべての研究は、PAがFe(III)に不可逆的に結合し、したがってFeの獲得には何の役割も果たさないと規定している。

B. subtilis における鉄恒常性のもう 1 つの重要な側面は、バイオフィルムの形成です。 我々は以前、生物が沈殿酸化物から鉄を獲得するにはバイオフィルムマトリックスとシデロフォア生成の両方が必要であること22、そしてバイオフィルムに結合した鉄が局所的な鉄源として使用できることを示した23。 別の研究では、バイオフィルムの深層におけるFe(III)の重要性が実証され、酸素の不在下では末端電子受容体として機能します24。 したがって、バイオフィルムに結合した鉄は、細胞の成長に加えてバイオフィルムの機能にも不可欠であると考えられます。 シデロフォアとバイオフィルムの形成は、バイオフィルム形成細菌の鉄獲得と恒常性に寄与します 22,25。 しかし、微生物の競合との関連でPAなどの沈殿性リガンドを分泌することの生態学的利点や、PAと錯体を形成したFeの運命についてはほとんど知られていない。