고세균에서 암모니아 모노옥시게나제의 예상치 못한 복잡성

ISME 저널 17권, 588~599페이지(2023)이 기사 인용

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질산화의 첫 번째 단계인 암모니아 산화는 지구 질소 순환에서 중요한 과정을 구성합니다. 그러나 핵심 효소인 구리 의존성 암모니아 모노산소효소에 대한 기본 지식이 부족하며, 특히 환경적으로 풍부한 암모니아 산화 고세균(AOA)의 경우 더욱 그렇습니다. 여기서 효소의 구조는 두 AOA의 기본 막 복합체로부터의 청색 기본 겔 전기영동 및 단백질체학에 의해 조사됩니다. 알려진 AmoABC 하위 단위와 이전에 예측된 AmoX 외에도 두 개의 새로운 단백질 하위 단위인 AmoY와 AmoZ가 확인되었습니다. 이들은 AOA에 고유하며 고도로 보존되고 공동 조절되며 이들 유전자는 유선형 AOA 게놈의 다른 AMO 하위 단위 유전자와 연결되어 있습니다. 모델링 및 젤 내 가교 접근법은 먼 관련 박테리아 미립자 메탄 모노옥시게나제와 유사한 전반적인 프로토머 구조를 지원하지만 효소의 세포외 도메인의 명확한 차이점도 나타냅니다. 이러한 데이터는 생태학적으로 중요한 질산화 복합체에 대한 추가 구조-기능 연구를 위한 길을 열어줍니다.

암모늄을 질산염으로 전환하는 질산화는 미생물에 의해서만 수행되는 전 세계 질소 순환의 중요한 단계입니다. 이 과정은 농업 및 환경 관련성 때문에 특별한 관심을 끌었습니다. 질화의 첫 번째이자 속도 제한[1] 단계는 통합 막 단백질 복합체 암모니아 모노옥시게나제(AMO)를 통한 암모니아의 산화입니다[2, 3]. 암모니아 산화 박테리아(AOB)는 125년 전에 처음 발견되어[4] 광범위하게 연구되었지만, 이 생물학적 과정은 지난 20년 동안 고세균 영역에서도 발견되었습니다[5,6,7]. 암모니아 산화 고세균(AOA)은 자연에 널리 퍼져 있고 대부분의 육상 및 해양 환경에서 박테리아에 비해 더 풍부하기 때문에 광범위한 주목을 받아 왔으며, 이는 질소 순환에서 중요한 역할을 나타냅니다. ,14]. 그러나 이들의 중심 질소 및 탄소 대사는 AOB의 대사와 다릅니다[15,16,17,18]. 특히 AMO 복합체의 하위 단위는 박테리아의 하위 단위와 약 40%의 동일성을 나타내며[19] 암모니아 산화의 두 번째 단계, 즉 하이드록실아민을 아질산염으로 전환하는 과정을 촉매하는 고세균 단백질은 아직 알려져 있지 않습니다[19,20,21] . 이러한 차이점은 아직 밝혀지지 않은 환경적 역할에서 중요한 기능적 차별화를 의미합니다.

질화 유기체 성장의 어려움과 막 단백질 분리의 본질적인 문제로 인해 AMO 복합체, 박테리아 또는 고세균에 대한 구조적 연구가 성공적으로 수행되지 않았습니다. 이는 몇 가지 주목할만한 예외를 제외하고 CuMMO(구리 의존성 막 모노옥시게나제) 단백질 계열의 다양한 효소 대부분에 적용됩니다. 5개의 메탄영양체로부터의 미립자 메탄 모노옥시게나제(pMMO)의 결정 구조[22,23,24,25,26] 및 저온-EM 구조[27, 28]는 3개의 폴리펩티드 프로토머(서브유닛 -A, -B 및 -)를 일관되게 확인했습니다. C) 각 프로토머에 2개 이상의 보존된 금속 부위가 있는 α3β3γ3 구성의 삼량체로 배열됩니다. 그럼에도 불구하고 활성 부위에 대한 해명은 여전히 ​​모호한 상태로 남아 있습니다. pMMO의 PmoB 하위 단위에 상주하는 것이 처음 제안되었습니다[29]. 보다 최근에 저온-EM 분석은 주로 PmoA에 의해 조정되는 활성 부위를 뒷받침하는 반면[27], Verrucomicrobia[30]의 아미노산 보존이 다르고, 최근 분광 분석[31]과 탄화수소 모노옥시게나제의 돌연변이 유발[32]이 있습니다. PmoC 하위 단위의 현지화를 제안합니다.

AMO 구조는 실험적으로 결정되지 않았지만 pMMO를 주형으로 사용하여 Nitrosomonas europaea 박테리아의 AMO에 대한 상동성 모델링은 CuB 및 CuC 구리 부위의 보존뿐만 아니라 동종삼량체 구조를 뒷받침했습니다[33]. 고세균 AMO 복합체는 모든 CuMMO 단백질 중에서 가장 먼 관련이 있으며[34, 35] 지금까지 그 구조나 기능에 대해 알려진 바가 거의 없습니다. 비교 메타게놈학만을 토대로 복합체에 AmoX라는 추가 하위 단위가 존재할 수 있다고 제안되었습니다[15, 36].