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土壌アンモニア酸化古細菌Nitrososphaera viennensisの銅制限に曝露した際のゲノムワイドなトランスクリプトーム解析
Genome wide transcriptomic analysis of the soil ammonia oxidizing archaeon Nitrososphaera viennensis upon exposure to copper limitation.
PMID: 32665710 DOI: 10.1038/s41396-020-0715-2.
抄録
アンモニア酸化古細菌（AOA）は自然界に広く分布しており、地球規模の窒素循環の重要なプロセスである硝化に関与している。アンモニア酸化と電子輸送のための酵素は、自然界では制限されている銅（Cu）に大きく依存している。本研究では、モデルとなる土壌古細菌Nitrososphaera viennensisをトランスクリプトーム解析により調査し、銅が制限された場合の銅の取り込みメカニズムと補償戦略に関する知見を得た。その結果、N. viennensisは、銅を制限すると亜硝酸産生が低下し、その結果、アンモニア酸化、電子輸送、炭素固定、ヌクレオチド、脂質生合成経路の遺伝子の発現が低下することがわかった。銅制限下では、検出された 3180 個の遺伝子のうち 1547 個の遺伝子が異なる発現を示し、784 個の遺伝子がアップレギュレーションされ、 763 個の遺伝子がダウンレギュレーションされた。最も発現量が多かった遺伝子は、銅キレーター・トランスポーターCopC/D、ジスルフィド結合酸化還元酵素D（dsbD）、マルチ銅酸化酵素など、銅の結合・取り込みに関与する可能性のあるタンパク質をコードしていた。この反応は海産株Nitrosopumilus maritimusとは異なるが、Cu応答性遺伝子のいくつかには保存された配列モチーフがあり、陸産AOAでは保存された転写制御が行われていることが示唆された。本研究では、銅のバイオアベイラビリティに関連した可能性のある遺伝子制御とエネルギー保存機構を提供し、土壌AOAによる銅の取り込みのための最初のモデルを提示します。
Ammonia-oxidizing archaea (AOA) are widespread in nature and are involved in nitrification, an essential process in the global nitrogen cycle. The enzymes for ammonia oxidation and electron transport rely heavily on copper (Cu), which can be limited in nature. In this study the model soil archaeon Nitrososphaera viennensis was investigated via transcriptomic analysis to gain insight regarding possible Cu uptake mechanisms and compensation strategies when Cu becomes limiting. Upon Cu limitation, N. viennensis exhibited impaired nitrite production and thus growth, which was paralleled by downregulation of ammonia oxidation, electron transport, carbon fixation, nucleotide, and lipid biosynthesis pathway genes. Under Cu-limitation, 1547 out of 3180 detected genes were differentially expressed, with 784 genes upregulated and 763 downregulated. The most highly upregulated genes encoded proteins with a possible role in Cu binding and uptake, such as the Cu chelator and transporter CopC/D, disulfide bond oxidoreductase D (dsbD), and multicopper oxidases. While this response differs from the marine strain Nitrosopumilus maritimus, conserved sequence motifs in some of the Cu-responsive genes suggest conserved transcriptional regulation in terrestrial AOA. This study provides possible gene regulation and energy conservation mechanisms linked to Cu bioavailability and presents the first model for Cu uptake by a soil AOA.