好気性発酵

好気性発酵または好気性解糖は、細胞が酸素の存在下で発酵を介して糖を代謝する代謝プロセスであり、通常の呼吸代謝の抑制を通じて発生します。好気性呼吸よりも好気性発酵が優先されることは、酵母におけるクラブツリー効果と呼ばれ、^{[1] [2]}腫瘍細胞におけるワールブルク効果の一部です。好気性発酵ではアデノシン三リン酸(ATP) が高収量で生成されませんが、増殖細胞はグルコースやグルタミンなどの栄養素を、不要な異化酸化による二酸化炭素への変化を避け、炭素間結合を保存して同化を促進することで、より効率的にバイオマスに変換できます。^[3]

好気性発酵は、少なくとも3つの酵母系統（サッカロミセス、デッケラ、シゾサッカロミセス）で独立して進化しました。^{[4]また、植物の花粉、 [5]}トリパノソーマ、^[6]変異した大腸菌、^[7]および腫瘍細胞 でも観察されています。 ^[8] クラブツリー陽性酵母は、非常に低濃度のグルコースで増殖した場合、またはほとんどの他の炭水化物源で増殖した場合に呼吸します。 [ ^1] クラブツリー効果は、低糖条件を除いて、発酵によって呼吸が抑制される制御システムです。^[1]サッカロミセス・セレビシエが糖閾値未満で増殖し、呼吸代謝を受けると、発酵経路は依然として完全に発現しますが、^[9]呼吸経路は糖の利用可能性に応じてのみ発現します。^{[4] [10]} これはパスツール効果とは対照的であり、パスツール効果は酸素の存在下での発酵の阻害であり、ほとんどの生物で観察されます。^[9]

好気性発酵の進化には、おそらく複数の連続した分子段階が関与しており、^[9]これにはヘキソーストランスポーター遺伝子の拡大、^[11] コピー数変異（CNV）^{[12] [13]}および代謝遺伝子の差次的発現、ならびに調節再プログラミングが含まれる。^[14] この複雑な現象のゲノム基盤を完全に理解するには、まだ研究が必要である。 多くのクラブトリー陽性酵母種は、その発酵能力により、ワイン、ビール、日本酒、パン、およびバイオエタノールの生産における工業プロセスで使用されている。^[15]これらの酵母種は、家畜化 を通じて、多くの場合、人工選択を通じて、環境に適応するように進化してきた。^{[15]菌株は、種間}交雑、^[15] 水平遺伝子伝達（HGT）、遺伝子重複、偽遺伝子化、および遺伝子喪失 などのメカニズムを通じて進化した。 ^[16]

約1億年前（mya）、酵母の系統内で全ゲノム重複（WGD）が起こりました。^[17] クラブツリー陽性酵母の大部分はWGD後の酵母です。^{[4]これらの種では、}アルコール脱水素酵素（ADH） をコードする遺伝子とヘキソーストランスポーターの重複により、WGDがクラブツリー効果の発症メカニズムであると考えられていました。 ^[2] しかし、最近の証拠は、好気性発酵はWGDより前に始まり、WGDの助けを借りて多段階のプロセスとして進化したことを示しています。^[2]サッカロミセス・クラブツリー陽性酵母 における好気性発酵の起源、つまり最初のステップは、嫌気性条件下で増殖する能力、嫌気性DHODase（細菌ではURA1によってコード化されている）の水平伝播、および呼吸鎖複合体Iの喪失の間に発生したと考えられます。^[9] より顕著なクラブツリー効果、つまり2番目のステップは、WGDイベントの時期に近かったと考えられます。^[9] 好気性発酵の進化を助けた後の進化イベントは、クラブツリー効果のゲノム的基礎を議論するセクションでよりよく理解され、概説されています。

好気性発酵の起源における主要な原動力は、それが現代の果物（約1億2500万年前）と同時に発生したことだと考えられています。 [ ^{2 ]}これらの果物は、酵母と細菌の両方を含む微生物群集に、単純な糖の豊富な食料源を提供しました。 [2] 当時、細菌は酵母よりも速い速度でバイオマスを生産することができました。^[2] エタノールのような毒性化合物を生成すると、細菌の成長が遅くなり、酵母がより競争力を持つようになります。^[2] しかし、酵母は消費した糖の一部をエタノールを生成するために使用する必要がありました。^[2] クラブツリー陽性酵母は解糖の流れ、つまりグルコースの取り込みとピルビン酸への変換も増加しており、これはバイオマスではなくエタノールを生成するためにグルコースの一部を使用することを補います。^[9] したがって、元々の原動力は競争相手を殺すことだったと考えられています。^[4] これは、祖先のADHタンパク質の運動学的挙動を決定した研究によって裏付けられており、このタンパク質はエタノールを消費するのではなく、エタノールを生成するように最適化されていることが判明しました。^[13]

好気性発酵の発達におけるさらなる進化イベントにより、エタノール耐性の向上や呼吸経路の抑制など、このライフスタイルの効率が向上したと考えられます。^[4] 高糖環境では、S. cerevisiaeは最も近い親戚であるSaccharomyces paradoxusを除く他のすべての酵母種に勝ち、優位になります。^[18] S. cerevisiaeが高糖環境で優位になる能力は、好気性発酵よりも最近に進化し、高糖環境の種類に依存しています。^[18] 他の酵母の成長は、高糖環境のpHと栄養素に依存します。^[18]

クラブツリー効果のゲノム的根拠は現在も調査中であり、その進化にはライフスタイルの効率を高める複数の連続した分子段階が関与していた可能性が高い。

ヘキソーストランスポーター（HXT）は、酵母におけるグルコースの取り込みを主に担うタンパク質群である。S . cerevisiaeでは、20個のHXT遺伝子が同定されており、そのうち17個はグルコーストランスポーター（HXT1-HXT17）をコードし、GAL2はガラクトーストランスポーターをコードし、SNF3とRGT2はグルコースセンサーをコードしている。^[19] グルコースセンサー遺伝子の数は出芽酵母系統を通じてほぼ一定であるが、Schizosaccharomyces pombeにはグルコースセンサーが存在しない。Schizosaccharomyces pombeはCrabtree陽性酵母であり、Saccharomyces系統とは独立して好気性発酵を発達させ、cAMPシグナル伝達経路を介してグルコースを検出する。^{[20]トランスポーター遺伝子の数は酵母種間で大きく異なり、} S. cerevisiae系統 の進化を通じて継続的に増加している。トランスポーター遺伝子のほとんどは、WGDからではなく、タンデム重複によって生成されています。 Sch. pombe はまた、近縁種と比較してトランスポーター遺伝子の数が多いです。^[11] グルコースの取り込みは解糖系の主要な律速段階であると考えられており、S. cerevisiaeのHXT1-17遺伝子を単一のキメラHXT遺伝子に置き換えると、エタノール生産が減少するか、完全に呼吸代謝されます。^[12] したがって、効率的なグルコース取り込みシステムを持つことは、好気性発酵の能力に不可欠であると思われます。^[20] ヘキソーストランスポーター遺伝子の数とエタノール生産の効率の間には有意な正の相関関係があります。^[11]

WGDの後、重複した遺伝子ペアの1つは分画によって失われることが多く、S. cerevisiaeゲノムに残っているWGD遺伝子ペアは10％未満です。^[12]解糖反応経路 のWGD遺伝子ペアの半分強がWGD後の種に保持され、全体の保持率よりも大幅に高くなっています。^[12] これは、グルコースをピルビン酸に代謝する能力の増加、または解糖の速度の上昇に関連しています。^{[17]解糖の後、ピルビン酸は}ピルビン酸脱炭酸酵素（Pdc）またはピルビン酸脱水素酵素（Pdh） によってさらに分解されます。酵素の速度論では、ピルビン酸濃度が高い場合、解糖の速度が速いため、Pdcを通るフラックスが増加し、したがって発酵経路が増加します。^[12] WGDは、解糖遺伝子のコピー数の増加により、WGD以降の種におけるクラブトリー効果の進化に有益な役割を果たしたと考えられています。^[20]

発酵反応は2段階のみである。ピルビン酸はPdcによってアセトアルデヒドに変換され、アセトアルデヒドはアルコール脱水素酵素（Adh）によってエタノールに変換される。Crabtree陽性種とCrabtree陰性種を比較すると、Pdc遺伝子の数に有意な増加は見られず、 Pdc遺伝子の数と発酵効率の間に相関関係はない。^[20] S. cerevisiaeには5つのAdh遺伝子 がある。^[20] Adh1はアセトアルデヒドからエタノールへの発酵段階を触媒する主要な酵素である。^[13] Adh2は逆反応を触媒し、エタノールを消費してアセトアルデヒドに変換する。^[13] 祖先、つまり元のAdhはAdh1と同様の機能を持ち、この遺伝子の複製後、Adh2はエタノールに対してより低いK _Mを進化させた。^[13] Adh2は酵母種のエタノール耐性を高め、Crabtree陽性種が糖を枯渇させた後に生産したエタノールを消費できるようにしたと考えられています。^[13] しかし、Adh2とエタノールの消費は好気性発酵に必須ではありません。^[13] Sch. pombeと他のCrabtree陽性種はADH2遺伝子を持たず 、エタノールをほとんど消費しません。^[13]

クラブトリー陰性種では、呼吸関連遺伝子は酸素存在下で高度に発現する。しかし、S. cerevisiaeを好気条件下でグルコースで増殖させると、呼吸関連遺伝子の発現は抑制される。ミトコンドリアリボソームタンパク質の発現は、環境ストレス条件、具体的には低グルコース利用性下でのみ誘導される。^[20] 呼吸に関与するミトコンドリアエネルギー生成およびリン酸化酸化に関わる遺伝子は、好気性発酵酵母種と呼吸種の間で最も大きな発現差がある。^{[20]好気性発酵を独立して進化した}Sch. pombeとS. cerevisiae の比較解析では、これら2つの発酵酵母の発現パターンは、呼吸酵母であるC. albicansよりも互いに類似していた。しかし、S. cerevisiaeは進化的にはC. albicansに近い。^[14] 両系統における好気性発酵の進化において、制御の再配線が重要であった可能性が高い。^[20]

好気性発酵は多くの産業にとって不可欠であり、その結果、人類はいくつかの酵母株を家畜化しました。ビールやその他のアルコール飲料は、人類の歴史を通じて、飲酒の儀式、栄養、薬、汚染されていない水の提供を通じて社会で重要な役割を果たしてきました。^{[15] [21]} 家畜化の過程で、生物はより変化に富み複雑な自然環境から、一定の基質を持つ単純で安定した環境に移行します。これは、代替代謝戦略または病原性における非有用遺伝子の緩和された選択に関連して、家畜化された微生物の特殊化適応に有利に働くことがよくあります。^[16] 家畜化は、産業種における好気性発酵を促進する形質の一部である可能性があります。サッカロミセスの家畜化株では、遺伝子移入と HGT が一般的です。^{[16]多くの市販のワイン株は、DNA のかなりの部分が非}サッカロミセス種 の HGT に由来しています。HGT と遺伝子移入は、家畜化圧力の間に見られるものよりも自然界では一般的ではありません。^[16] 例えば、重要な産業用酵母株であるサッカロミセス・パストリアヌスは、 S.セレビシエと耐寒性S.エウバヤヌスの種間雑種である。^[15] この雑種は、ゆっくりとした低温発酵を必要とするラガー醸造によく使用される。^[15]

酢酸菌（AAB）は、糖類やアルコール類（通常はグルコースとエタノール）を不完全酸化して酢酸にするAAB酸化発酵（AOF）と呼ばれるプロセスを行う。解糖の後、生成されたピルビン酸はピルビン酸脱炭酸酵素によってアセトアルデヒドに分解され、アセトアルデヒドはアセトアルデヒド脱水素酵素によって酢酸に酸化される。エタノールはまずアルコール脱水素酵素によってアセトアルデヒドに酸化され、次に酢酸に変換される。これらのプロセスは両方ともNAD(P)Hを生成するか、ユビキノールを介して電子伝達系に電子を運ぶ。^{[22]このプロセスは}酢酸菌を利用して酢を生産する際に利用されている。

がんの特徴の1つは、代謝の変化または細胞エネルギーの調節不全です。^[23] がん細胞は、解糖によって生成されたピルビン酸をミトコンドリアに送るのではなく、酸素の存在下で乳酸発酵を行うようにグルコース代謝を再プログラムしていることがよくあります。これはワールブルク効果と呼ばれ、グルコースの消費量が多く、解糖の速度が速いことに関連しています。^[24] これらのがん細胞でのATP生成は、解糖のプロセスのみで行われることが多く、ピルビン酸は細胞の細胞質内での発酵プロセスによって分解されます。

この現象は、がん細胞は増殖を続けるためエネルギー需要が高く、呼吸は解糖単独よりも大幅に多くのATPを生成する（発酵では追加のATPは生成されない）ため、直感に反すると思われることが多い。通常、解糖経路のグルコーストランスポーターと酵素の上方制御がある（酵母でも見られる）。^{[25]腫瘍細胞における好気性発酵には、クラブトリー陽性酵母でも見られる多くの類似した側面がある。S} . cerevisiae などの酵母における好気性発酵の進化に関するさらなる研究は、腫瘍細胞における好気性発酵を理解するための有用なモデルとなり得る。これは、がんとがん治療をよりよく理解する可能性を秘めている。^[8]

アルコール発酵は、嫌気性条件下で植物がATPを生成し、NAD ^+を再生して解糖系を継続するためによく使用されます。ほとんどの植物組織では、発酵は嫌気性条件下でのみ発生しますが、例外もいくつかあります。トウモロコシ( Zea mays ) ^[26]とタバコ( Nicotiana tabacumおよびNicotiana plumbaginifolia ) の花粉では、酸素レベルに関係なく、発酵酵素ADHが豊富にあります。タバコ花粉では、PDCもこの組織で高度に発現しており、転写レベルは酸素濃度の影響を受けません。タバコ花粉は、クラブツリー陽性酵母と同様に、酸素の利用可能性ではなく糖の供給に依存して高レベルの発酵を行います。これらの組織では、呼吸とアルコール発酵が糖の高利用性と同時に発生します。^[5] 発酵により有毒なアセトアルデヒドとエタノールが生成され、花粉の発達中に大量に蓄積される可能性があります。アセトアルデヒドは細胞質雄性不稔性を引き起こす花粉因子であるという仮説が立てられている。細胞質雄性不稔性はトウモロコシ、タバコ、その他の植物に見られる特徴で、生存可能な花粉を生産することができない。この特徴は、花粉の発達において通常よりかなり早い段階で発酵遺伝子であるADHとPDCが発現し、有毒なアルデヒドが蓄積するためであると考えられている。^[5]

トリパノソーマ寄生虫は、ブドウ糖を豊富に含む培地で増殖すると、好気性発酵によってブドウ糖を分解する。^[6] このグループでは、この現象は嫌気性生活への事前適応やその名残ではなく、嫌気性条件で生存できないことで示されている。^[27] この現象は、高い解糖フラックス能力と自然環境の高ブドウ糖濃度のために発生したと考えられている。これらの条件で呼吸が抑制されるメカニズムはまだわかっていない。^[27]

大腸菌の変異株 のいくつかは、好気条件下でブドウ糖を発酵するように生物工学的に改良されている。^[7]ある グループは、酸素の摂取を減らすために3つの末端シトクロム酸化酵素（cydAB、cyoABCD、cbdAB）を除去したECOM3（大腸菌シトクロム酸化酵素変異体）株を開発した。 [7] ブドウ糖培地で60日間適応進化した後、この株は混合表現型を示した。 [ ^7] 好気条件下では、一部の集団の発酵は乳酸のみを生成したが、他の集団は混合酸発酵を行った。^[7]