コリネバクテリウム・グルタミカムの鉄欠乏応答とチアミン生合成との関連

The Iron Deficiency Response of Corynebacterium glutamicum and a Link to Thiamine Biosynthesis.

• Andreas Küberl
• Aliye Mengus-Kaya
• Tino Polen
• Michael Bott

抄録

グラム陽性土壌細菌の鉄欠乏応答を分泌代謝物、トランスクリプトーム、プロテオームの観点から解析した。グルコース最小培地での生育では，鉄の制限により，主な分泌有機酸は乳酸からピルビン酸へとシフトし，L-アラニンと2-オキソグルタル酸が相補的に分泌されるようになった。トランスクリプトームおよびプロテオーム解析の結果、転写調節因子であるDtxRとRipAによって支配される鉄飢餓反応は、指数関数的成長の初期段階では検出されなかったが、後期段階では検出可能であることが明らかになった。鉄飢餓とチアミンピロリン酸（TPP）生合成の間の関連は、鉄硫黄クラスターを含むホスホメメチルピリミジン合成酵素（ThiC）の強力なアップレギュレーションによって明らかにされた。 ホスホメメチルピリミジン合成酵素（ThiC）は鉄硫黄クラスターを含み、TPP依存性ピルビン酸-2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼスーパーコンプレックスの活動を制限し、おそらくピルビン酸と2-オキソグルタル酸の排泄を引き起こす。この説明に沿って、チアミンの補給は、これらの酸の分泌を強力に減少させる可能性がある。チアミンの生合成と輸送に関与する他の遺伝子のアップレギュレーションは、おそらく、対応するオペロンの5'末端に存在するTPPリボスイッチによるものである。本研究で得られた結果は、鉄のホメオスタシスについての新たな知見を提供し、鉄の制限の代謝的帰結が補酵素生合成の鉄依存性に起因する可能性があることを示している。鉄はほとんどの生物にとって必須の元素であるが、酸化条件下では溶解性が悪く、また活性酸素種（ROS）の形成を触媒することで毒性があるために問題となる。そのため、細菌は鉄のホメオスタシスのための複雑な制御ネットワークを進化させ、十分な鉄の供給と活性酸素の生成を最小限に抑えることを目指してきました。本研究では、鉄制限に対するアクチノバクテリウムの応答を解析し、このモデル生物における鉄のホメオスタシスに関わるプロセスを詳細に明らかにしました。特に、鉄の制限は、鉄依存性ホスホメチルピリミジン合成酵素（ThiC）の活性が不十分なために、TPP欠乏症を引き起こすことを明らかにした。TPP 欠乏は、TPP リボスイッチによって制御される遺伝子のアップレギュレーションと、TPP 依存性酵素ピルビン酸デヒドロゲナーゼと 2-オキソグルタル酸デヒドロゲナーゼの活性が不十分なために引き起こされる代謝物の分泌から推測された。我々の知る限り、鉄飢餓とチアミン合成との関連については、これまでに詳しく説明されたことはありませんでした。

The response to iron limitation of the Gram-positive soil bacterium was analyzed with respect to secreted metabolites, the transcriptome, and the proteome. During growth in glucose minimal medium, iron limitation caused a shift from lactate to pyruvate as the major secreted organic acid complemented by l-alanine and 2-oxoglutarate. Transcriptome and proteome analyses revealed that a pronounced iron starvation response governed by the transcriptional regulators DtxR and RipA was detectable in the late, but not in the early, exponential-growth phase. A link between iron starvation and thiamine pyrophosphate (TPP) biosynthesis was uncovered by the strong upregulation of As phosphomethylpyrimidine synthase (ThiC) contains an iron-sulfur cluster, limiting activities of the TPP-dependent pyruvate-2-oxoglutarate dehydrogenase supercomplex probably cause the excretion of pyruvate and 2-oxoglutarate. In line with this explanation, thiamine supplementation could strongly diminish the secretion of these acids. The upregulation of and other genes involved in thiamine biosynthesis and transport is presumably due to TPP riboswitches present at the 5' end of the corresponding operons. The results obtained in this study provide new insights into iron homeostasis in and demonstrate that the metabolic consequences of iron limitation can be due to the iron dependency of coenzyme biosynthesis. Iron is an essential element for most organisms but causes problems due to poor solubility under oxic conditions and due to toxicity by catalyzing the formation of reactive oxygen species (ROS). Therefore, bacteria have evolved complex regulatory networks for iron homeostasis aiming at a sufficient iron supply while minimizing ROS formation. In our study, the responses of the actinobacterium to iron limitation were analyzed, resulting in a detailed view on the processes involved in iron homeostasis in this model organism. In particular, we provide evidence that iron limitation causes TPP deficiency, presumably due to insufficient activity of the iron-dependent phosphomethylpyrimidine synthase (ThiC). TPP deficiency was deduced from the upregulation of genes controlled by a TPP riboswitch and secretion of metabolites caused by insufficient activity of the TPP-dependent enzymes pyruvate dehydrogenase and 2-oxoglutarate dehydrogenase. To our knowledge, the link between iron starvation and thiamine synthesis has not been elaborated previously.

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