Неожиданная сложность монооксигеназы аммиака у архей

Журнал ISME, том 17, страницы 588–599 (2023 г.) Процитировать эту статью

2820 Доступов

1 Цитаты

28 Альтметрика

Подробности о метриках

Исправление к этой статье опубликовано 28 апреля 2023 г.

Эта статья обновлена

Окисление аммиака, как первый этап нитрификации, представляет собой критический процесс в глобальном круговороте азота. Однако фундаментальные знания о его ключевом ферменте, медь-зависимой монооксигеназе аммиака, отсутствуют, в частности, в отношении широко распространенных в окружающей среде архей, окисляющих аммиак (АОА). Здесь структура фермента исследуется с помощью сине-нативного гель-электрофореза и протеомики из нативных мембранных комплексов двух АОА. Помимо известных субъединиц AmoABC и ранее предсказанного AmoX, были идентифицированы две новые субъединицы белка: AmoY и AmoZ. Они уникальны для AOA, высококонсервативны и совместно регулируются, а их гены связаны с другими генами субъединицы AMO в упорядоченных геномах AOA. Моделирование и подходы к сшивке в геле подтверждают общую структуру протомера, аналогичную отдаленно родственной бактериальной метанмонооксигеназе в виде частиц, но также выявляют явные различия во внеклеточных доменах фермента. Эти данные открывают возможности для дальнейших структурно-функциональных исследований этого экологически важного нитрификационного комплекса.

Нитрификация, преобразование аммония в нитрат, является важным этапом глобального цикла азота, осуществляемым исключительно микроорганизмами. Этот процесс привлек особое внимание из-за его сельскохозяйственной и экологической значимости. Первой и лимитирующей [1] стадией нитрификации является окисление аммиака посредством интегрального мембранного белкового комплекса аммиакмонооксигеназы (АМО) [2, 3]. Хотя бактерии, окисляющие аммиак (АОБ), были впервые обнаружены более 125 лет назад [4] и широко изучены, этот биологический процесс был также обнаружен в домене архей за последние 20 лет [5,6,7]. Археи, окисляющие аммиак (АОА), привлекли широкое внимание, поскольку они широко распространены в природе и более многочисленны, чем их бактериальные аналоги в большинстве наземных и морских сред, что указывает на важную роль в круговороте азота [8,9,10,11,12,13]. ,14]. Однако их центральный азотистый и углеродный метаболизм отличается от метаболизма АОБ [15,16,17,18]. В частности, субъединицы комплекса АМО лишь примерно на 40% идентичны субъединицам бактерий [19], а архейные белки, катализирующие вторую стадию окисления аммиака, то есть превращение гидроксиламина в нитрит, до сих пор неизвестны [19,20,21]. . Эти различия подразумевают важную функциональную дифференциацию их ролей в окружающей среде, которую еще предстоит разгадать.

Из-за сложности выращивания нитрифицирующих организмов и присущих проблем с выделением мембранных белков не было проведено успешно структурных исследований какого-либо комплекса АМО, бактериального или архейного. Это справедливо для большинства разнообразных ферментов семейства белков CuMMO (медь-зависимая мембранная монооксигеназа), за некоторыми заметными исключениями. Кристаллические структуры [22,23,24,25,26] и крио-ЭМ структуры [27, 28] частиц метанмонооксигеназы (pMMO) пяти метанотрофов последовательно подтвердили наличие трехполипептидного протомера (субъединицы-A, -B и - В) расположены в тримере конфигурации α3β3γ3, по крайней мере, с двумя консервативными металлическими центрами в каждом протомере. Несмотря на это, объяснение активного центра осталось неоднозначным. Впервые было предложено находиться в субъединице PmoB pMMO [29]. Совсем недавно крио-ЭМ-анализ подтвердил, что активный центр в первую очередь координируется PmoA [27], при этом различаясь консервацией аминокислот у Verrucomicrobia [30], недавний спектроскопический анализ [31] и мутагенез углеводородной монооксигеназы [32]. предполагают его локализацию в субъединице PmoC.

Хотя структура АМО не была определена экспериментально, моделирование гомологии АМО бактерии Nitrosomonas europaea с использованием pMMO в качестве матрицы подтвердило гомотримерную структуру, а также сохранение медных сайтов CuB и CuC [33]. Комплекс AMO архей является наиболее отдаленным из всех белков CuMMO [34, 35], и о его структуре и функциях пока известно очень мало. На основании только сравнительной метагеномики было высказано предположение, что в комплексе может присутствовать дополнительная субъединица, названная AmoX [15, 36].