ホパノイド

ホパノイドは、化合物ホパンと同じ炭化水素骨格を持つトリテルペノイドの多様なサブクラスです。したがって、この五環式分子のグループは、単純なホフェン、ホパノール、ホパンを指しますが、バクテリオホパンポリオール（BHP）や脂質Aに共有結合したホパノイドなどの広範囲に官能化された誘導体も指します。^{[1] [2]}

最初のホパノイドであるヒドロキシホパノンは、絵画のワニスとして使用される天然樹脂であるダマルガムの化学を研究していたロンドンのナショナルギャラリーの2人の化学者によって単離されました。 ^{[3]ホパノイドはバクテリアでのみ生成されるとよく​​考えられていますが、その名前は実際には}ホペア属の植物の樹脂にホパノイド化合物が豊富に含まれることから来ています。また、この属はエディンバラ王立植物園の初代王立植物園長であるジョン・ホープにちなんで名付けられました。

ホパノイドは被子植物で最初に発見されて以来、細菌、地衣類、コケ類、シダ、熱帯樹木、菌類の細胞膜で発見されている。^{[4]ホパノイドは安定した}多環式構造を持ち、石油貯留層、岩石、堆積物中によく保存されているため、これらの分子の続成作用生成物は、特定の微生物の存在や、堆積時の化学的または物理的条件のバイオマーカーとして解釈できる。^{[5]ホパノイドは}古細菌では検出されていない。^{[6] [7]}

配列決定された細菌ゲノムの約10％には、スクアレン-ホペンシクラーゼをコードする推定shc遺伝子があり、おそらくホパノイドを作ることができると考えられています。ホパノイドは、細胞膜で多様な役割を果たすことが示されており、一部の生物が極限環境に適応することを可能にする可能性があります。^{[8] [9]}

ホパノイドは細菌の細胞膜特性を変化させるため、真核生物において膜流動性を調節し、他の機能を果たすステロール（コレステロールなど）とよく比較される。^[10]ホパノイドはステロール欠乏を救済しないが、膜の剛性を高め、透過性を低下させると考えられている。^{[9] [11] [12]}また、ガンマプロテオバクテリアや地衣類やコケ類などの真核生物は、ステロールとホパノイドの両方を生成することが示されており、これらの脂質が他の異なる機能を有する可能性があることを示唆している。^{[4] [13]注目すべきことに、ホパノイドが細胞膜に詰め込まれる方法は、結合している官能基に応じて変化する可能性がある。ホパノイドのバクテリオホパネテトロールは}脂質二重層内で横向きに配向するが、ジプロプテンは内葉と外葉の間に局在し、おそらく膜を厚くして透過性を低下させる。^[14]

ホパノイドのジプロプテロールは、細菌に共通する膜脂質である脂質 Aと相互作用して膜を整えるが、これは真核生物の細胞膜でコレステロールとスフィンゴ脂質が相互作用するのと似ている。 ^{[10]ジプロプテロールとコレステロールは、}スフィンゴミエリン 単層とグリカン修飾脂質 A 単層の両方で凝縮を促進し、ゲル相形成を阻害することが実証されている。さらに、ジプロプテロールとコレステロールは両方とも、グリカン修飾脂質 A 単層における pH 依存性相転移を回復させることができる。 ^[10]膜を介した酸耐性におけるホパノイドの役割は、変異スクアレン-ホペンシクラーゼを持つホパノイド欠損細菌における酸阻害増殖と細胞膜の形態異常の観察によってさらに裏付けられている。^{[15] [16]}

ホパノイドはいくつかの窒素固定細菌で生産される。^[9]放線菌 フランキアでは、窒素固定に特化した小胞の膜にあるホパノイドが、脂質二重層をよりタイトでコンパクトにすることで酸素の侵入を制限していると考えられる。 ^[17]ブラディリゾビウムでは、脂質Aに化学的に結合したホパノイドが膜の安定性と剛性を高め、エスキノメンマメ科植物におけるストレス耐性と細胞内生存を高める。^[18]シアノバクテリアのノストック・パンクティフォルメでは、大量の2-メチルホパノイドがアキネートと呼ばれる生存構造の外膜に局在する。^[19]ストレス耐性の別の例として、原核土壌細菌ストレプトマイセスの気中菌糸（胞子を持つ構造）にあるホパノイドは、膜を介した空気への水分損失を最小限に抑えると考えられている。^[20]

_{ホパノイドは C 30}テルペノイドであるため、生合成はイソペンテニルピロリン酸(IPP) とジメチルアリルピロリン酸(DMAP) から始まり、これらが結合してより長い鎖のイソプレノイドを形成します。^[2]これらの小さな前駆体の合成は、細菌種に応じてメバロン酸経路またはメチルエリスリトール-4-リン酸経路のいずれかで進行しますが、後者の方が一般的です。^[21] DMAP は 1 分子の IPP と縮合してゲラニルピロリン酸になり、これが別の IPP と縮合してファルネシルピロリン酸 (FPP)を生成します。^[2] 遺伝子sqsによってコードされているスクアレン合成酵素は、次に 2 つの FPP 分子を縮合してプレスクアレンピロリン酸 (PSPP) にする反応を触媒し、その後NADPH を酸化してスクアレンを放出します。^[22]しかし、ホパノイドを生産する細菌の中にはスクアレン合成酵素を欠いており、代わりに3つの酵素HpnC、HpnD、HpnEを使用するものがあり、これらは他の多くのホパノイド生合成遺伝子とともにhpnオペロンにコード化されている。 ^[23]この代替的だがより普及しているように見えるスクアレン合成経路では、HpnDが2分子のFPPをPSPPに凝縮する際にピロリン酸を放出し、HpnCがそれをヒドロキシスクアレンに変換し、水分子を消費して別のピロリン酸を放出する。次に、ヒドロキシスクアレンはFAD依存性酵素HpnEによって媒介される脱水反応でスクアレンに還元される。 ^[22]

次に、スクアレン-ホペネシクラーゼが複雑な環化反応を触媒し、スクアレンをエネルギー的に有利な全椅子型構造にしてから、1 回のステップで 5 つの環、6 つの共有結合、および 9 つのキラル中心を分子上に作り出します。^{[24] [25]}この酵素は、shc 遺伝子(一部の細菌ではhpnFとも呼ばれます) によってコードされており、テルペノイド生合成に特徴的な二重 ⍺ バレルフォールドを持ち^[26]、細胞内ではモノトピックホモ二量体として存在します。つまり、シクラーゼのペアは細胞膜に埋め込まれていますが、細胞膜をまたいでいません。^{[24] [27]この酵素は、} 試験管内で多様な基質特異性を示し、 2,3-オキシドスクアレンも環化します。^[28]

活性部位の芳香族残基は基質上でいくつかの不利なカルボカチオンを形成し、これらは急速な多環化によって消光される。^[25]環化反応の最後のサブステップでは、スクアレンの末端アルケン結合を構成する電子がホペニルカルボカチオンを攻撃してE環を閉じた後、C ₂₂カルボカチオンは異なるホパノイド生成物につながるメカニズムによって消光される可能性がある。水の求核攻撃によりジプロプテロールが得られ、隣接する炭素での脱プロトン化によりいくつかのホペネ異性体のうちの1つ、多くの場合ジプロプテンが得られる。^[4]

環化後、ホパノイドはshc、hpnと同じオペロン内の遺伝子によってコードされているホパノイド生合成酵素によって頻繁に修飾される。^[29]例えば、ラジカルSAMタンパク質HpnHはジプロプテンにアデノシン基を付加して拡張C _{35ホパノイドアデノシルホパンを形成し、これはその後他の}hpn遺伝子産物によってさらに機能化される。 ^{[30] HpnGはアデノシルホパンから}アデニンを除去してリボシルホパンを作る反応を触媒し、これが未知の酵素によって媒介される反応でバクテリオホパネテトロール (BHT) を形成する。^{[31] HpnOがBHTの末端ヒドロキシルをアミノ化してアミノバクテリオホパネトリオールを生成するか、}グリコシルトランスフェラーゼHpnIがBHTをN-アセチルグルコサミニル-BHTに変換すると、追加の修飾が起こる可能性がある。 ^[32]続いて、ホパノイド生合成関連タンパク質HpnKがグルコサミニルBHTへの脱アセチル化を媒介し、そこからラジカルSAMタンパク質HpnJがシクリトールエーテルを生成する。^[32]

重要なのは、C ₃₀およびC ₃₅ホパノイドは、ラジカルSAMメチルトランスフェラーゼHpnPおよびHpnRによってそれぞれC ₂およびC _3の位置でメチル化される可能性があることです。 ^{[33] [34]}これらの2つのメチル化は、側鎖修飾と比較して特に地理安定性が高く、何十年にもわたって地球生物学者の関心を集めてきました。^[9]

一部の細菌に特有の生合成経路では、テトラヒマノール合成酵素がホパノイドジプロプテンから五環式トリテルペノイドテトラヒマノールへの変換を触媒する。テトラヒメナの​​ような真核生物では、テトラヒマノールは細菌のテトラヒマノール合成酵素と相同性のないシクラーゼによってスクアレンから直接合成される。^[35]

ホパノイドは地球上で最も豊富な天然産物であると推定されており、年代、起源、性質に関​​係なく、すべての堆積物の有機画分に残っています。地球上の総量は、1992年に10 x 10 ¹⁸グラム（10 ^{12トン）と推定されました。 [36]} DNAやタンパク質などの生体分子は続成作用で分解されますが、多環式脂質は融合した安定した構造のため、地質学的時間スケールで環境中に残ります。^{[37]ホパノイドとステロールは堆積中にホパンと}ステランに還元されますが、これらの続成作用産物は、初期の生命と地球の共進化を研究するための有用なバイオマーカー、つまり分子化石であり得ます。 ^{[37] [38]}

現在、最も古いトリテルペノイドの化石として間違いなく発見されているのは、オーストラリアの16億4千万年前の盆地から発見された中原生代のオケナン、ステラン、メチルホパンである。[ 39 ]しかし^、分子時計解析によると、最も古いステロールはおそらく約23億年前、大酸化イベントとほぼ同時期に生成され、ホパノイドの合成はさらに以前に始まったと推定されている。^[40]

いくつかの理由から、ホパノイドおよびスクアレン-ホペンシクラーゼは、ステロールおよびオキシドスクアレンシクラーゼよりも古いと仮定されてきた。まず、ジプロプテロールは、多環化中に形成された C ₂₂カルボカチオンが水によって消光されると合成される。これは、ホパノイドが分子状酸素なしで生成でき、大気中に酸素が蓄積される前はステロールの代用物として機能していた可能性があることを示しており、大気中の酸素は、ステロール生合成中にスクアレンモノオキシゲナーゼによって触媒される反応でスクアレンと反応する。^[1]さらに、スクアレンは、低エネルギーの全椅子型配座でスクアレン-ホペンシクラーゼに結合し、一方、オキシドスクアレンは、より緊張した椅子-ボート-椅子-ボート型配座で環化する。^{[4] [41]}スクアレン-ホペネシクラーゼは、試験管内でオキシドスクアレンを環化する点で、より基質の多様性を示し、一部の科学者は、これらがオキシドスクアレンシクラーゼの進化的前身であると仮説を立てています。^{[41]他の科学者は、スクアレン-ホペネシクラーゼとオキシドスクアレンシクラーゼは、三環式}マラバリカノイドまたは四環式ダマラノイド生成物を生成すると推定される細菌シクラーゼである共通の祖先から分岐したと提案しています。^{[1] [42]}

2-メチルホパンは、2-α-メチルホパン指数として定量化されることが多く、シアノバクテリアの培養物やマットで前駆体脂質である2-メチルホパノールが発見された後、ロジャー・サモンズとその同僚によって酸素発生型光合成のバイオマーカーとして初めて提案されました。 ^{[43]その後、西オーストラリアの}ピルバラクラトンの27億年前の頁岩で光合成シアノバクテリア由来と思われる2-α-メチルホパンが発見され、酸素発生型代謝の進化と大酸化イベントの間に4億年（百万年）のギャップがあることが示唆されました。 ^[44]しかし、これらの発見は、現代の炭化水素による潜在的な汚染のために後に却下されました。^[45]

豊富な2-メチルホパンに基づく推定シアノバクテリアの存在は、アプチアンおよびセノマニアン-チューロニアン 海洋無酸素事象（OAE）中の黒色頁岩堆積と、窒素固定を示す関連する₁₅ N同位^体シグネチャを説明するために使用されてきた。 ^[46]対照的に、2-α-メチルホパン指数値は、ケルヴァッサー事象に対応する同様のフラスニアンおよびファメニアン堆積物全体で比較的低いが、^[47]後期の下部ファメニアンセクションではより高いレベルが報告されている。^[48]

シアノバクテリアのバイオマーカーとしての 2-メチルホパノイドの地位は、多くの微生物学的発見によって疑問視された。ジオバクター・サルファリデューセンスは、厳密な嫌気条件下で増殖した場合、2-メチルホパノールではないものの、多様なホパノールを合成することが実証された。^[8]さらに、無酸素性光合成細菌 ロドプスードモナス・パルストリスは、無酸素条件下でのみ 2-メチル-BHP を生産することが判明した。^[49]この後者の発見は、重要なメチルトランスフェラーゼ HpnP をコードする遺伝子の同定にもつながった。^{[33]その後、} hpnPはアシドバクテリアと多数のアルファプロテオバクテリアで同定され、遺伝子の系統発生解析により、アルファプロテオバクテリアに由来し、シアノバクテリアとアシドバクテリア大網に水平遺伝子伝播によって獲得されたと結論付けられた。^[50]

シアノバクテリアのうち、ホパノイドの生産は一般に陸生シアノバクテリアに限られている。海洋シアノバクテリアについては、ヘレン・タルボットらが実施した培養実験で、トリコデスミウムとクロコスファエラの2種の海洋種のみがバクテリオホパネポリオールを生産するという結論に至った。^[51]その後、利用可能なシアノバクテリアのゲノムとメタゲノムアセンブルゲノム（MAG）におけるhpnPの遺伝子ベースの検索でも同様の結論に至り、陸生および淡水生種の約30%でこの遺伝子が同定されたが、739の海洋シアノバクテリアゲノムとMAGのうちの1つだけでこの遺伝子が同定された。^[52]さらに、Nostoc punctiformeは、アキネートに分化したときに最も多くの2-メチルホパノイドを生産する。これらの寒さと乾燥に耐性のある細胞構造は休眠状態にあり、したがって光合成は活発ではなく、2-メチルホパンと酸素発生型光合成との関連性をさらに疑問視している。^[19]

亜硝酸酸化細菌（NOB）Nitrobacter vulgarisは、コバラミンを補給すると2-メチルホパノイドの生産が33倍に増加することを実証した研究は、白亜紀のOAEに関連する2-メチルホパノイドの豊富な存在について、シアノバクテリア以外の説明をさらに進めた。Felix Ellingと同僚は、循環の反転により、アンモニアとコバルトに富む深層水が表面に持ち込まれ、それぞれ好気性亜硝酸酸化とコバラミン合成が促進されたと提唱している。このモデルは、地中海の 腐泥イベントと現代の黒海の堆積物に関連する2-メチルホパノイドの顕著な欠如にも対処している。両方の環境で湧昇がはるかに少ないため、 N. vulgarisなどの2-メチルホパノイド生産NOBは、亜硝酸親和性が高いNOBとアナモックス細菌に打ち負かされる。^[52]

ジェシカ・リッチと共著者らによるメタゲノムとクローンライブラリを用いた環境調査では、植物関連微生物群集とhpnPの存在との間に有意な相関関係が見つかり、それに基づいて、2-メチルホパノイドは浸透圧が高く、酸素と固定窒素が少ない固着微生物群集のバイオマーカーであると提案されている。^[53]

3-メチルホパノイドは、培養実験^[54]および環境中の好気性メタン酸化菌との共存に基づいて、歴史的に好気性メタン酸化と関連付けられてきた。 ^{[55]そのため、3-メチルホパンの存在は、 13} C の枯渇とともに、古代の好気性メタン酸化のマーカーであると考えられている。^[34]しかし、酢酸細菌が2-メチルホパノイドを生成することも数十年前から知られている。^[54]さらに、C ₃位でホパノイドをメチル化する遺伝子であるhpnRを特定した後、 Paula WelanderとRoger Summons は、 α -、β -、γプロテオバクテリア、放線菌、ニトロスピロタ、候補門 NC10、アシドバクテリアのメンバー、および 3 つのメタゲノムで推定hpnRホモログを特定した。そのため、ウェランダーとサモンズは、3-メチルホパノイドだけでは好気性メタン酸化の証拠を構成できないと結論付けています。^[34]

スクアレン-ホペンシクラーゼのプロトナーゼ活性の背後にある優れたメカニズムは、ドイツのシュトゥットガルト大学の化学技術者によって評価され、採用されました。活性部位のエンジニアリングにより、酵素のホパノイド形成能力は失われましたが、モノテルペノイドのゲラニオール、エポキシゲラニオール、シトロネラールの立体選択的環化のためのブレンステッド酸触媒が可能になりました。^[56]

ホパノイドおよびホパノイド生成窒素固定菌を土壌に施用することは、大気中の窒素を作物が利用できる可溶性形態に変換するのに不可欠な窒素固定細菌を含む植物関連微生物共生菌の環境耐性を高めるバイオ肥料技術として提案され、特許を取得している。^[57]

その後のメチロバクテリウム・エクストルケンスにおけるジプロプテロールと脂質Aの相互作用に関する研究で、多剤輸送はホパノイド依存のプロセスであることが判明した。多剤排出（輸送タンパク質を介した薬剤耐性機構）が可能な野生型から派生したスクアレン-ホペンシクラーゼ変異体は、多剤輸送とホパノイド合成の両方を行う能力を失った。^[12]研究者らは、これはホパノイドによる輸送タンパク質の直接的な制御によるものか、または輸送システムを混乱させるような方法で膜の秩序を変えることによる間接的なものである可能性があると示唆している。^[12]