キチナーゼの広範囲にわたる発生

ISME Communications volume 3、記事番号: 109 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

キチンは海洋に最も豊富に存在する天然ポリマーであり、主にキチンを分解する微生物によってリサイクルされます。 エンドゾイコモナダ科 (Oceanospirillales) 細菌は、固着性海洋動物、特にサンゴの顕著な共生生物であり、おそらく宿主の栄養循環に寄与していると考えられます。 この象徴的な動物に生息する細菌ファミリーのキチン分解能を明らかにするために、培養および未培養のエンドゾイコモナダ科株の公的に入手可能な 42 のゲノムを調べ、キチナーゼをコードする遺伝子の存在を調べました。 42 のエンドゾイコモナダ科ゲノムのうち 32 にはエンドキチナーゼ (EC 3.2.1.14) が含まれ、25 にはエキソキチナーゼ (EC 3.2.1.52) と 23 の多糖デアセチラーゼをコードする遺伝子が含まれていました。 キチナーゼは、正式に記載されているエンドゾイコモナス属、パラエンドゾイコモナス属、キスティモナス属の 3 属、新属カンディダトゥス ゴルゴニモナス属、およびその他の未分類の科グループを含む、多様な海洋動物に関連する培養および未培養のエンドゾイコモナダ科系統に存在していました。 ほとんどのエンドキチナーゼはグリコシドヒドロラーゼファミリー GH18 に属していましたが、5 つの GH19 エンドキチナーゼも存在していました。 多くのエンドキチナーゼは活性部位とシグナルペプチドドメインを保有しており、これらの酵素が機能しており、エンドキチナーゼが通常活動する細胞外環境に輸送されている可能性が高いことを示しています。 系統発生解析により、ファミリー全体にわたるエンドキチナーゼのクレード特異的多様性が明らかになりました。 いくつかのエンドゾイコモナダ科種のゲノム上に複数の異なるエンドキチナーゼが存在することは、多様なマイクロニッチや環境条件の変化において効果的なキチンプロセシングを確保するための機能的変異を示唆している。 われわれは、キチン分解に関与するエンドキチナーゼおよびその他の遺伝子がエンドゾイコモナダ科に広く分布していることを実証し、これらの共生生物がろ過食および浮遊食動物および底生海洋生態系全体のキチン代謝回転に重要な役割を果たしていると仮定する。

β-1,4-N-アセチルグルコサミンの非分岐ポリマーであるキチンは、セルロースに次いで地球上で 2 番目に豊富な天然多糖類であり、世界の生産量は年間 1,012 ～ 1,014 トンと推定されています [1、2]。 これは真菌の細胞壁、海洋珪藻、甲殻類、動物プランクトンの主要成分であり、自然界では分解が困難です [1、3]。 キチンの水不溶性は、海洋生態系における「マリンスノー」の形成に寄与しています[4]。 それにもかかわらず、キチン粒子は炭素源と窒素源としてキチンを使用するバクテリアによって分解されるため、海底に蓄積することはほとんどありません[5]。 海綿体やサンゴなどのろ過食および浮遊食動物は、水柱中に存在する多数のキチンに富んだ粒子を処理する可能性が高く、そのためキチン質食品の加工によく適応したマイクロバイオームを保有している可能性があります[6]。

2018年に初めて記載されたガンマプロテオバクテリア科エンドゾイコモナダ科は、世界中に分布しており、サンゴ、海綿動物、軟体動物、コケムシ、ホヤ、魚類などの海洋真核生物と関連して生活している[7]。 この科は現在、有効に公開されている 3 つの属、Endozoicomonas、Paendozoicomonas、Kistimonas で構成されています [7]。 メタゲノム構築ゲノム（MAG）データに基づいて、我々は最近、特に温帯八尾サンゴ類（Octocorallia）と関連していることが判明した2つの候補種、Gorgonimonas eunicellaeとGorgonimonas leptogorgiaeとともに、新しい属Candidatus Gorgonimonasを提案しました[8]。 エンドゾイコモナダ科の共生生物はサンゴの細菌群集の 90% 以上を占める可能性があり [9]、サンゴの健康状態の指標と推定されています [9、10]。 サンゴに豊富に存在し、海洋生態系に遍在しているため、海洋動物とエンドゾイコモナダ科の共生生物が果たす役割は研究の関心が高まっているが、複数の共生におけるその正確な機能はまだ十分に理解されていない。 主な制限は、利用可能な培養代表物の数が少ないことと [11]、実験室でこれらの共生生物を操作するのが明らかに難しいことです。 ゲノム解析は、エンドゾイコモナス科の共生生物がアミノ酸とビタミン B の供給 [8、12、13、14]、微量栄養素の獲得 [8]、および硫黄循環 [15] に関与していることを示唆しました。 最近のメタゲノミクスおよびゲノミクス データも、キチン [8] を含む炭水化物の分解における役割を示しています [14]。 しかし、これまでに行われた研究は主に 1 つまたは少数のエンドゾイコモナダ科種の検査に基づいており、科全体にわたる複数の属の比較調査は不足しています。 したがって、この研究では、エンドキチナーゼをコードする遺伝子の分布と多様性、およびキチン加水分解が実際に起こるかどうかを決定するために、培養および非培養系統および正式に記載されているすべての属を含む42のエンドゾイコモナダ科ゲノム（すなわち、2022年5月までに公的に入手可能なすべてのゲノム）を検査した。この家族には幅広い能力があります。 この研究で使用された完全な方法論は、追加ファイル 1 に文書化されています。ここで調査されたゲノムとその注釈の詳細は、追加ファイル 2 で入手できます。