Биосинтез холестерина de novo у бактерий

Nature Communications, том 14, номер статьи: 2904 (2023) Цитировать эту статью

1556 Доступов

15 Альтметрика

Подробности о метриках

Эукариоты производят сильно модифицированные стерины, включая холестерин, необходимые для физиологии эукариот. Хотя известно, что лишь немногие виды бактерий производят стерины, о производстве холестерина или других сложных стеринов de novo в бактериях не сообщалось. Здесь мы показываем, что морская миксобактерия Enhygromyxa salina продуцирует холестерин, и предоставляем доказательства дальнейших последующих модификаций. С помощью биоинформатического анализа мы идентифицируем предполагаемый путь биосинтеза холестерина у E. salina, в значительной степени гомологичный эукариотическому пути. Однако экспериментальные данные показывают, что полное деметилирование C-4 происходит за счет уникальных бактериальных белков, различающих бактериальный и эукариотический биосинтез холестерина. Кроме того, белки цианобактерии Calothrix sp. NIES-4105 также способны полностью деметилировать стерины в положении C-4, что позволяет предположить, что сложный биосинтез стеринов может быть обнаружен и у других типов бактерий. Наши результаты показывают недооцененную сложность производства бактериальных стеринов, которые конкурируют с эукариотами, и подчеркивают сложную эволюционную взаимосвязь между биосинтезом стеринов в бактериальном и эукариотическом доменах.

Стеролы представляют собой класс вездесущих и незаменимых эукариотических липидов, важных для множества физиологических функций, включая передачу сигналов в клетках, мембранный гомеостаз и сроки развития1,2,3. Биосинтез стеринов в эукариотиках был тщательно изучен, выявив сложные пути биосинтеза, включая общий набор ферментов, используемых для производства сходных конечных продуктов стерола, которые различаются по уровню ненасыщенности, деметилирования и алкализирования4,5. Порядок реакций в этих путях биосинтеза диктует продукцию и накопление промежуточных продуктов стерола, которые играют регулирующую роль в липидном гомеостазе6,7, последующем биосинтезе продуктов8 и реакции на стресс9. Химические модификации, необходимые для синтеза холестерина у позвоночных, фитостеролов у растений и эргостерина у грибов, важны для биофизических свойств этих липидов, влияя на локализацию и динамику мембран в соответствующих организмах10,11,12. Эти стерины также служат точкой разветвления для последующего биосинтеза метаболитов. Реакции окисления участвуют в превращении стеринов в широкий спектр соединений, включая оксистерины, желчные кислоты, стероидные гормоны и брассиностероиды, которые могут действовать как лиганды в различных сигнальных путях13,14,15. Эукариоты также конъюгируют стерины с сахарами, белками и другими липидами, что еще больше расширяет функцию стеринов, включая защиту клеток, накопление энергии, пищеварение и передачу сигналов16,17,18. В целом, сложность биосинтеза стеринов эукариот отражает разнообразные функции и важную роль, которую эти липиды играют в физиологии эукариот.

В то время как биосинтез и функция стерола хорошо изучены у эукариотических организмов, синтез и функция бактериальных стеринов сравнительно недостаточно изучены. Известно, что некоторые бактерии, в том числе аэробные метанотрофы, планктомицеты и различные миксобактерии, продуцируют стеролы de novo19. В отличие от эукариот, эти бактерии в основном производят ланостерол, паркеол или циклоартенол — начальные продукты циклизации оксидоскваленциклазы (OSC)20,21,22. Однако некоторые бактерии производят дополнительные химические модификации во время синтеза стеринов; метанотрофные бактерии модифицируют стерины в отдельные монометилированные структуры, специфичные для Mmethylococcaceae19, продуцирующие стеролы Planctomycetes конъюгируют стерины с неопознанной макромолекулой21, а некоторые Myxococcota23 производят промежуточные продукты в пути биосинтеза холестерина, включая зимостерин19,22,24. Более того, филогеномные исследования расширили число потенциальных производителей бактериальных стеринов, идентифицировав гены, необходимые как для циклизации, так и для последующих модификаций типов в бактериальном домене25,26. Некоторые из этих бактерий обладают генетическим потенциалом производить биосинтетически сложные стерины, связанные с эукариотами, включая холестерин, однако анализы липидов еще не подтвердили наличие этих стеринов в бактериях5.