細菌の微小コンパートメント

細菌マイクロコンパートメント（BMC）は、細菌に見られる細胞小器官のような構造です。酵素やその他のタンパク質を包むタンパク質シェルで構成されています。BMCは通常、直径が約40〜200ナノメートルで、完全にタンパク質でできています。^{[2] [3] [4] [ 5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [ 12 ] [13]}シェルは選択的に透過性があるため、膜のように機能します。^{[4] [6] [8] [14] [15]}細菌や古細菌に見られる他のタンパク質ベースのコンパートメントには、エンカプスリンナノコンパートメント^[16]や大きなガス小胞^[17]があります。

最初の BMC は 1950 年代にシアノバクテリアの電子顕微鏡写真で観察され、^[18]後に炭素固定におけるその役割が確立された後、カルボキシソームと名付けられました。^{[19] 1990 年代まで、カルボキシソームは特定の}独立栄養細菌に限定された奇妙な存在であると考えられていました。しかしその後、カルボキシソーム殻のタンパク質と相同な遺伝子がpdu (プロパンジオール利用) ^[20]およびeut (エタノールアミン利用) ^[21] オペロンで特定されました。その後、プロパンジオール^[22]またはエタノールアミン^{[23]で増殖した}サルモネラ細胞の透過型電子顕微鏡写真で、カルボキシソームに似た多面体の存在が示されました。メタボロソームという用語は、このような異化BMC (独立栄養カルボキシソームとは対照的) を指すために使用されます。

カルボキシソーム、プロパンジオール利用（PDU）、およびエタノールアミン利用（EUT）BMCは異なる酵素をカプセル化しているため、異なる機能を持っていますが、殻タンパク質をコードする遺伝子は非常によく似ています。実験的に特徴付けられたBMCの遺伝子（殻タンパク質とカプセル化された酵素をコードする遺伝子）のほとんどは、異なる遺伝子座またはオペロン内で互いに近くに位置しています。現在、20,000を超える細菌ゲノムが配列決定されており、バイオインフォマティクスの手法を使用してすべてのBMC殻遺伝子を見つけ、近くにある他の遺伝子を調べて、潜在的なBMCのリストを作成できます。^{[2] [24] [25] 2014年には、包括的な調査により、23の細菌}門にわたって最大10の機能的に異なるBMCをコードする23の異なる遺伝子座が特定されました。^[25] 2021年には、4万以上の殻タンパク質配列の解析により、少なくとも45の門にBMCをコードするメンバーが存在することが示され、^[2]機能的なタイプとサブタイプの数は68に増加しました。 ^[2]ヒトのマイクロバイオームにおけるBMCの役割も明らかになりつつあります。^[26]

BMC シェルは正二十面体^[27]または準正二十面体で、（擬似）六量体および五量体のタンパク質サブユニットによって形成されます。^{[28]機能的に異なる 3 つの BMC タイプ、カルボキシソーム[29]} 、コリン分解に関与する GRM2 オルガネラ^[30] 、および機能不明のメタボロソームについて、  完全なシェルの構造が決定されています。 これらの構造を総合すると、シェルの組み立ての基本原理は機能的に異なる BMC 間で普遍的に保存されていることが示されました。^{[31] [28]}

BMC シェルの主成分は、Pfam00936 ドメインを含むタンパク質です。これらのタンパク質は、六角形のオリゴマーを形成し、シェルの面を形成します。

BMC-Hタンパク質はPfam00936ドメインの単一コピーを含み、殻の面で最も豊富な成分である。^[28]これらのタンパク質のいくつかの結晶構造が決定されており、それらは環状の六量体に組み立てられ、通常は中央に小さな孔がある。^[4]この開口部は、殻を横切る小さな代謝物の選択的輸送に関与していると考えられている。ほとんどのBMCには、複数の異なるタイプのBMC-Hタンパク質（パラログ）が含まれており、それらが集まって面を形成しており、殻に出入りしなければならない代謝物の範囲を反映している可能性が高い。^[28]

シェルタンパク質のサブセットは、Pfam00936ドメイン（BMC-Tタンパク質）のタンデム（融合）コピーで構成されていますが、この進化イベントは、合成BMC-Tタンパク質の構築によって研究室で再現されました。^[32]構造的に特徴付けられたBMC-Tタンパク質は、形状が擬似六量体の三量体を形成します。^{[33] [34] [35]}一部のBMC-T結晶構造は、三量体が向かい合って積み重ねられることを示しています。このような構造では、1つの三量体の1つの細孔が「開いた」構造になっており、もう1つは閉じています。これは、一部のBMCシェルの透過性を調節するエアロックのようなメカニズムがある可能性があることを示唆しています。^{[33] [36]}このゲーティングは、シェルの表面全体で調整されているようです。^[31] BMC-Tタンパク質の別のサブセットには[4Fe-4S]クラスターが含まれており、BMCシェル全体の電子輸送に関与している可能性があります。^{[37] [38] [39] [40] [41]}電子伝導のためにBMC-Tタンパク質に金属中心が組み込まれている。^{[42] [43]}

二十面体シェルの頂点を覆うには、12 個の五角形ユニットが必要です。EutN/CcmL ファミリー (Pfam03319) のタンパク質の結晶構造が解明されており、これらは通常、五量体 (BMC-P) を形成します。^{[44] [45] [46]}シェル形成における BMC-P タンパク質の重要性は、さまざまな BMC 間で異なるようです。BMC-P タンパク質の遺伝子が削除された変異体はシェルを形成できないため、PDU BMC のシェル形成には必須であることが示されましたが、^[47]アルファカルボキシソームには必要ではありません。BMC-P タンパク質がなくても、カルボキシソームは依然として組み立てられ、多くは伸長します。^[48]これらの変異カルボキシソームは「漏れやすい」ように見えます。^[49]

BMCシェルは多くのウイルスカプシドと構造的に類似していますが、シェルタンパク質はカプシドタンパク質と構造的または配列的に相同性があることは発見されていません。代わりに、構造と配列の比較から、BMC-H（およびBMC-T）とBMC-Pは、おそらく、それぞれPIIシグナル伝達タンパク質とOBフォールドドメイン含有タンパク質という本物の細胞タンパク質から進化したと考えられます。^[50]

酵素が BMC シェル内にパッケージ化されており、ある程度の代謝物と補因子の隔離が起こらなければならないことはよく知られています。 ^[6]しかし、BMC が機能するためには、他の代謝物と補因子もシェルを通過できなければなりません。たとえば、カルボキシソームでは、リブロース-1,5-ビスリン酸、重炭酸塩、およびホスホグリセリン酸がシェルを通過する必要がありますが、二酸化炭素と酸素の拡散は明らかに制限されています。^{[51] [52]}同様に、PDU BMC の場合、シェルはプロパンジオール、プロパノール、プロピオニルリン酸、およびおそらくビタミン B12 に対して透過性である必要がありますが、プロピオンアルデヒドは細胞の損傷を防ぐために何らかの形で隔離されていることは明らかです。^[53] ATP も一部の BMC シェルを通過する必要があるという証拠がいくつかあります。^[6]

殻の六角形のタンパク質タイルに形成された中央の孔は、代謝物が殻に拡散する導管であると提案されている。^{[4] [54]}たとえば、カルボキシソーム殻の孔は全体的に正に帯電しており、これが重炭酸塩などの負に帯電した基質を引き付けると提案されている。^{[4] [6] [15] [54]} PDUマイクロコンパートメントでは、突然変異誘発実験により、PduA殻タンパク質の孔がプロパンジオール基質の侵入経路であることが示された。^[55]より大きな代謝物の場合、一部のBMC-Tタンパク質のゲーティング機構が明らかである。^{[33] [36] [56]} EUTマイクロコンパートメントでは、EutL殻タンパク質の大きな孔のゲーティングは、主要な代謝基質であるエタノールアミンの存在によって制御されている。^[57]

いくつかの殻タンパク質（おそらく中央の孔）に鉄硫黄クラスターが存在することから、それが殻内を電子が行き来する導管として機能しているのではないかと考えられています。^{[37] [40] [41]}

微生物ゲノム配列データの包括的な調査により、BMCシェルに60種類以上の代謝機能が封じ込められていることが示された。^{[25] [2]}その大半は炭素固定（カルボキシソーム）またはアルデヒド酸化（メタボロソーム）のいずれかに関与している。^[25]ウェブサーバーBMC Callerを使用すると、BMC遺伝子座の成分のタンパク質配列に基づいてBMCタイプを識別できる。BMC Caller

_{カルボキシソームは、CO 2固定細菌中のCO 2}濃縮機構の一部として、リブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ（RuBisCO）と炭酸脱水酵素を包み込んでいる。 ^[58]重炭酸塩は細胞質に送り込まれ、カルボキシソームに拡散し、そこで炭酸脱水酵素がそれをRuBisCOの基質である二酸化炭素に変換する。カルボキシソームシェルは二酸化炭素をほとんど透過しないと考えられており、その結果、RuBisCO周辺の二酸化炭素濃度が効果的に上昇し、CO ₂固定が促進される。^{[52] [59]}カルボキシソームシェルをコードする遺伝子を欠損した変異体は、二酸化炭素濃度の低下によりCO _{2要求性の高い表現型を示し、RuBisCOによる酸素固定が増加する。シェルは酸素の拡散を制限するとも考えられており、} ^{[15] [52]}オキシゲナーゼ反応を防ぎ、無駄な光呼吸を減らす。^[51]

同化カルボキシソームに加えて、短鎖アルデヒドを介して従属栄養代謝に関与するいくつかの異化BMCが特徴付けられており、これらは総称してメタボロソームと呼ばれています。^{[6] [23] [12]}

2014年に、機能的多様性にもかかわらず、大部分のメタボロソームは、アルデヒド脱水素酵素、アルコール脱水素酵素、ホスホトランスアシラーゼという3つのコア酵素によって駆動される共通のカプセル化された化学反応を共有していると提案されました。^{[6] [25] [60] [61]}アルデヒドは細胞に対して有毒であり^[53]、揮発性であるため^[62]、メタボロソーム内に隔離されていると考えられています。アルデヒドは最初にNAD +依存性アルデヒド脱水素酵素によって補酵素Aに固定されますが、これら2つの補因子は明らかに殻を通過できないため、リサイクルされなければなりません。^{[63] [64]}これらのリサイクル反応は、アルコール脱水素酵素（NAD+）^[63]とホスホトランスアセチラーゼ（コエンザイムA）^[64]によって触媒され、その結果、リン酸化アシル化合物が生成されます。これは、生物が好気的に成長しているか嫌気的に成長しているかに応じて、基質レベルのリン酸化の源となるか、または中心代謝に入ることができます。^[53]すべてではないにしても、ほとんどのメタボロソームがこれらのコア酵素を利用しているようです。 メタボロソームは、BMCの最初の基質に特異的な別の酵素もカプセル化しており、アルデヒドを生成します。これは、BMCの定義されたシグネチャー酵素です。^{[6] [25]}

一部の細菌は、1,2-プロパンジオールを炭素源として利用できます。これらの細菌は、この経路で使用されるいくつかの酵素をBMCに包み込みます（Sampson and Bobik、2008）。PDU BMCは通常、21の遺伝子座によってコード化されています。これらの遺伝子は、あるタイプの細菌から別のタイプの細菌に移植することができ、受容体に機能的なメタボロソームをもたらすため、BMCの組み立てには十分です。^[39]これは、同様に利己的オペロン仮説を支持する証拠を提供するバイオエンジニアリングの例です。^[65] 1,2-プロパンジオールは、ビタミンB12を補因子として必要とするプロパンジオール脱水酵素によってプロピオンアルデヒドに脱水されます。^[66]プロピオンアルデヒドはDNA変異を引き起こし、結果として細胞に有毒であるため、この化合物がBMC内に隔離されている理由を説明できる可能性があります。^[53] PDU BMCの最終生成物はプロパノールとプロピオニルリン酸であり、これはその後脱リン酸化されてプロピオン酸となり、1つのATPが生成される。プロパノールとプロピオン酸は成長のための基質として使用することができる。^[53]

エタノールアミン利用（EUT）BMCは、多種多様な細菌にコードされています。^[25]エタノールアミンは、エタノールアミン-アンモニアリアーゼの作用によりアンモニアとアセトアルデヒドに分解されますが、この酵素もビタミンB12を補酵素として必要とします。^[67]アセトアルデヒドは非常に揮発性が高く、BMCシェルが欠損した変異体は成長障害を示し、過剰なアセトアルデヒドを放出することが観察されています。^[62]メタボロソームにアセトアルデヒドを隔離することで、揮発による損失を防ぐことが提案されています。^[62] EUT BMCの最終生成物はエタノールとアセチルリン酸です。エタノールは失われた炭素源である可能性が高いですが、アセチルリン酸はATPを生成するか、アセチルCoAにリサイクルされてTCAサイクルまたはいくつかの生合成経路に入ることができます。^[23]

一部の細菌、特にリステリア属の細菌は、PDUとEUTの両方のBMCの遺伝子が存在する単一の遺伝子座をコードしています。^[25]これが本当に両方のタンパク質セットの混合物であるキメラBMCなのか、それとも2つの別々のBMCが形成されているのかはまだ明らかではありません。

グリシルラジカル酵素を含むいくつかの異なるBMC遺伝子座が同定されており、^{[24] [25] [68] [69]} S-アデノシルメチオニンの分解から触媒ラジカルを得る。^[70] Clostridium phytofermentansの1つのGRM遺伝子座は、嫌気条件下で最初に1,2-プロパンジオールに分解されるフコースとラムノースの発酵に関与していることが示された。グリシルラジカル酵素はプロパンジオールを脱水してプロピオンアルデヒドにし、その後、標準的なPDU BMCと​​同じ方法で処理されると提案されている。^[71]

プランクトミセスとヴェルコミクロビアの異なる系統はBMC遺伝子座をコードしている。プランクトミセス・リムノフィラスの遺伝子座はフコースとラムノースの好気的分解に関与していることが示されている。アルドラーゼはラクトアルデヒドを生成すると考えられており、これはその後BMCで処理され、1,2-プロパンジオールとラクチルリン酸になる。^[60]

ロドコッカス属とマイコバクテリウム属には2種類のBMC遺伝子座が認められるが、その実際の機能は解明されていない。^[25]しかし、遺伝子座に存在する遺伝子の1つの特徴的な機能と他の遺伝子の予測される機能に基づいて、これらの遺伝子座はアミノ-2-プロパノールの分解に関与している可能性があると提案された。この予測経路で生成されるアルデヒドは極めて毒性の高い化合物メチルグリオキサールであり、BMC内に隔離することで細胞を保護することができる。^[25]

BMC遺伝子座の1つのタイプには、RuBisCOやコアメタボロソーム酵素が含まれておらず、3番目のカテゴリーの生化学的変換（つまり、炭素固定やアルデヒド酸化ではない）を促進することが提案されています。^[25]アミドヒドロラーゼとデアミナーゼをコードすると予測される遺伝子の存在は、このBMCが窒素化合物の代謝に関与していることを示している可能性があります。^[25]

ベータカルボキシソームの組み立て経路は特定されており、タンパク質 CcmM が RuBisCO の核を形成することから始まります。^[72] CcmM には 2 つのドメインがあります。N 末端のガンマ炭酸脱水酵素ドメインと、それに続く RuBisCO 小サブユニットのような配列の 3 ～ 5 回の繰り返しからなるドメインです。^[73] C 末端ドメインは RuBisCO を凝集させますが、これはおそらく L8-S8 ホロ酵素の実際の RuBisCO 小サブユニットを置換することによって行われ、細胞内の RuBisCO を効果的に架橋してプロカルボキシソームと呼ばれる 1 つの大きな凝集体にします。^[72] CcmM の N 末端ドメインは CcmN タンパク質の N 末端ドメインと物理的に相互作用し、C 末端のカプセル化ペプチドを介して六角形のシェルタンパク質サブユニットをリクルートします。^[74]その後、カルボキシソームは細菌細胞骨格との相互作用を介してシアノバクテリア細胞内で空間的に整列し、娘細胞への均等な分布を保証します。^[75]

アルファカルボキシソームの組み立てはベータカルボキシソームの組み立てとは異なる可能性がある。^[76]ベータカルボキシソームには CcmN または CcmM と相同なタンパク質がなく、カプセル化ペプチドもない。電子顕微鏡写真では空のカルボキシソームが観察されている。^[77]いくつかの顕微鏡写真では、ベータカルボキシソームで観察される段階的な方法とは対照的に、酵素と殻タンパク質の同時凝集として組み立てが起こることが示されている。異種システムでの単純なアルファカルボキシソームの形成には、ルビスコの大サブユニットと小サブユニット、内部アンカータンパク質 CsoS2、および主要な殻タンパク質 CsoS1A のみが必要であることが示されている。^[78]

両タイプのカルボキシソームの殻タンパク質の系統発生解析は、それらがそれぞれメタボロソームの祖先から独立して進化したことを示している。^[28]

メタボロソームの組み立ては、カプセル化されるタンパク質の初期凝集を介して、ベータカルボキシソームの組み立てと似ている可能性が高い^{[6] [72] 。多くのメタボロソームのコアタンパク質は、単独で発現すると凝集する。 [79] [80] [81] [82]}さらに、多くのカプセル化されたタンパク質には、シェルタンパク質をリクルートする CcmN の C 末端ペプチドに驚くほど類似した末端延長部が含まれている。^{[74] [83]}これらのカプセル化ペプチドは短く (約 18 残基)、両親媒性のアルファヘリックスを形成すると予測されている。^[74]これらのヘリックスのいくつかは、BMC への天然酵素のカプセル化や異種タンパク質 (GFP など) のカプセル化を媒介することが示されている。^{[74] [84] [85] [86] [87]}

シアノバクテリアのカルボキシソームを除いて、試験されたすべてのケースにおいて、BMCは基質が存在する場合にのみ発現するオペロンにコードされている。機能的に異なるBMCタイプの大多数の遺伝子座は、BMCの機能に関する情報を提供できる調節タンパク質をコードしている。^[88]

サルモネラ・エンテリカのPDU BMCは、嫌気条件下ではプロパンジオールまたはグリセロールの存在によって誘導され、好気条件下ではプロパンジオールのみによって誘導される。^[89]この誘導は、グローバル調節タンパク質CrpおよびArcA（それぞれ環状AMPおよび嫌気条件を感知）^{[90] 、および}pduおよびcob遺伝子座（プロパンジオール脱水酵素に必要な補因子であるビタミンB12の合成に必要なオペロン）の両方の転写活性化因子である調節タンパク質PocRによって媒介される。^[89]

サルモネラ・エンテリカのEUT BMCは、エタノールアミンとビタミンB12の同時存在によって調節タンパク質EutRを介して誘導され、これは好気性または嫌気性条件下で起こり得る。サルモネラ・エンテリカは嫌気性条件下でのみ内因性ビタミンB12を産生することができるが、好気性または嫌気性条件のいずれにおいてもシアノバラミンを輸入し、それをビタミンB12に変換することができる。^[91]

プランクトミセス・リムノフィラスのPVM BMCは好気条件下でフコースまたはラムノースの存在によって誘導されるが、グルコースによっては誘導されない。^[60]クロストリジウム・フィトフェルメンタンスのGRM BMCでも同様の結果が得られ、両方の糖がBMCをコードする遺伝子とフコースおよびラムノース異化酵素をコードする遺伝子を誘導した。^[71]

バイオインフォマティクスの調査では、特徴付けられた調節システムに加えて、機能型BMC（例：PDU）内にも、2成分調節システムを含む他の多くの調節メカニズムが潜在的に存在することが示されています。^[25]

カルボキシソームは、すべてのシアノバクテリアと、その他多くの光合成細菌および化学合成独立栄養細菌に存在します。シアノバクテリアは、地球規模で炭素固定の重要な推進力であり、現在の大気条件では、その固定にカルボキシソームを必要とするため、カルボキシソームは地球規模の二酸化炭素固定の主要構成要素です。

いくつかの種類のBMCは、サルモネラ・エンテリカやリステリア・モノサイトゲネスなどの病原体の毒性に関与していることが示唆されている。BMC遺伝子は毒性条件下ではアップレギュレーションされる傾向があり、それらの変異は競合実験によって判定される毒性欠陥につながる。^{[92] [93] [94] [95] [96]}

BMCのいくつかの特徴は、バイオテクノロジーへの応用に魅力的である。カルボキシソームは炭素固定の効率を高めるため、カルボキシソームと必要な重炭酸塩トランスポーターを植物の葉緑体に導入して葉緑体のCO2濃縮機構を設計することに多くの研究努力が払われてきた_[ 97 ^{] [98]}が、ある程度の成功を収めている。^[78]カルボキシソームはまた、BMC組み立て経路の知識が、細胞小器官構築に必要な遺伝子産物の数の簡素化と削減を可能にする例を提供している。^[99]これは、植物合成生物学において、植物のような設計が難しい生物に区画化を導入するための特に重要な考慮事項である^{[99] [ 100]}。^{[100] [101] [99]}より一般的には、BMCシェルタンパク質は自己組織化するため、空のシェルを形成できるため、^{[47] [102]}カスタマイズされた貨物を含むように設計する取り組みが促進されている。いくつかの BMC 関連タンパク質の末端にカプセル化ペプチドが発見された^{[74] [84]}ことで、このペプチドに外来タンパク質を融合し、これをシェルタンパク質と共発現させることで、カスタム BMC を設計する手段が生まれました。たとえば、このペプチドをピルビン酸脱炭酸酵素とアルコール脱水素酵素に加えることで、研究者はエタノール バイオリアクターを設計しました。^[103]さまざまなアダプター ドメイン^[104]やシェルタンパク質の末端への融合を使用してタンパク質を合成シェルにカプセル化する戦略^[105]も成功しています。最後に、シェルタンパク質に存在する孔はシェルの透過性を制御します。これらは、選択した基質や生成物の通過を可能にするように変更できるため、バイオエンジニアリングのターゲットになる可能性があります。^[106]透過性のエンジニアリングは代謝物を超えて拡張され、シェルタンパク質の孔は電子を伝導するように変更されています。^{[42] [43]}

バイオエンジニアリングにおける代謝の区画化の可能性に加えて、^[107]合成BMCはナノ治療薬としての多くの潜在的な用途を秘めています。^{[108]体外でシェルを構築する能力などの追加の技術的進歩[109]}  により、バイオテクノロジーにおけるBMCの開発が急速に可能になっています。

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