窒素飢餓下でシアノトキシンBMAAに曝露されたsp. PCC 7120の初のプロテオミクス研究

The First Proteomics Study of sp. PCC 7120 Exposed to Cyanotoxin BMAA under Nitrogen Starvation.

• Olga A Koksharova
• Ivan O Butenko
• Olga V Pobeguts
• Nina A Safronova
• Vadim M Govorun

抄録

最古の原核生物である光熱栄養生物であるシアノバクテリアは、多くの異なる代謝物を産生しています。その中でも水溶性の神経毒性を持つ非蛋白質アミノ酸β-N-メチルアミノ-L-アラニン（BMAA）は、シアノバクテリアの代謝における生物学的機能が科学的にも実用的にも重要な意味を持っています。ジアゾ栄養シアノバクテリアPCC 7120株、PCC 73102株（ATCC 29133）、8963株（ATCC 29133）では、窒素飢餓下での窒素固定およびヘテロシスト分化に対するBMAAの初期抑制効果が示されている。ここでは、窒素飢餓条件下でのBMAA処理が影響を及ぼすヘテロシスト形成期のsp. PCC 7120のプロテオミクス研究を紹介する。BMAAは、シアノバクテリア細胞内で密接に協調制御されている窒素と炭素の代謝経路に関与するタンパク質を乱す。本研究では、外因性BMAAが主要な窒素調節タンパク質であるPII (GlnB)とその一部のタンパク質パートナー、グルタミルtRNA合成酵素gltXやタンパク質合成、ヘテロシスト分化、窒素代謝に関与する他のタンパク質に影響を与えることを示した。PIIの重要な役割を考慮すると、BMAAが飢餓状態にあるsp. PCC 7120細胞の炭素・窒素代謝に深刻な負の影響を与えることが明らかになった。BMAAは炭素固定と二酸化炭素濃縮機構、光合成、アミノ酸代謝を阻害する。また、ストレス応答タンパク質やDNA修復酵素はBMAAの存在下でアップレギュレーションされており、細胞内ストレスの大きさを示していることが明らかになった。本研究は、ジアゾ栄養飢餓状態のシアノバクテリア細胞におけるBMAAの効果を初めてプロテオミクス的に解析したものであり、この非タンパク性アミノ酸によるシアノバクテリアの細胞内代謝の制御をより深く理解することを可能にしました。

The oldest prokaryotic photoautotrophic organisms, cyanobacteria, produce many different metabolites. Among them is the water-soluble neurotoxic non-protein amino acid beta-N-methylamino-L-alanine (BMAA), whose biological functions in cyanobacterial metabolism are of fundamental scientific and practical interest. An early BMAA inhibitory effect on nitrogen fixation and heterocyst differentiation was shown in strains of diazotrophic cyanobacteria sp. PCC 7120, PCC 73102 (ATCC 29133), and sp. strain 8963 under conditions of nitrogen starvation. Herein, we present a comprehensive proteomic study of (also called ) sp. PCC 7120 in the heterocyst formation stage affecting by BMAA treatment under nitrogen starvation conditions. BMAA disturbs proteins involved in nitrogen and carbon metabolic pathways, which are tightly co-regulated in cyanobacteria cells. The presented evidence shows that exogenous BMAA affects a key nitrogen regulatory protein, PII (GlnB), and some of its protein partners, as well as glutamyl-tRNA synthetase gltX and other proteins that are involved in protein synthesis, heterocyst differentiation, and nitrogen metabolism. By taking into account the important regulatory role of PII, it becomes clear that BMAA has a severe negative impact on the carbon and nitrogen metabolism of starving sp. PCC 7120 cells. BMAA disturbs carbon fixation and the carbon dioxide concentrating mechanism, photosynthesis, and amino acid metabolism. Stress response proteins and DNA repair enzymes are upregulated in the presence of BMAA, clearly indicating severe intracellular stress. This is the first proteomic study of the effects of BMAA on diazotrophic starving cyanobacteria cells, allowing a deeper insight into the regulation of the intracellular metabolism of cyanobacteria by this non-protein amino acid.