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耐酸性

概要

バクテリアは様々な酸ストレスから細胞を守るため、Acid tolerance response (ATR) と Amino acid-dependent extreme acid resistance (XAR) と呼ばれる耐酸性機構を持っている。 ATR は穏やかな酸ストレス (mild acid stress) に対して細胞内の pH 恒常性を維持するメカニズムであり、 一方、XAR は極端な酸ストレス (extreme acid stress) に対して細胞内の pH が致死的なレベルに陥ることを防ぐメカニズムである。
酸ストレスに適応するほとんどのバクテリアでは最低一つの ATR を保有しているが、それに加えて XAR を保有するバクテリアもいる。
これまでに知られている ATR, XAR は以下のとおり。
[1] Actively expelling protons out of the cell via the F1F0-ATPase
[2] Amino acid-dependent decarboxylase/antiporter systems
  • グルタミン酸依存酸耐性 (Glutamate-dependent acid resistance, GDAR, AR2)
  • アルギニン依存酸耐性 (Arginine-dependent acid resistance, ADAR, AR3)
  • リジン依存酸耐性 (Lysine-dependent acid resistance, AR4)
[3] Deiminase and deaminase systems
[4] Urea breakdown
[5] Mechanisms of repair or damage prevention of proteins
[6] Modification of the cell membrane
E. coli では上記機構のうち [1],[2],[3],[5],[6] を保有することが報告されている。XAR としては[2] のグルタミン酸依存酸耐性 (GDAR, AR2) が最も効果的な耐酸性機構だとされている。

機能に関する知見

[1] Actively expelling protons out of the cell via the F1F0-ATPase
sigma factor RpoS 依存的で glucose repression を受ける。また、F1F0-ATPase の関与が示されているが、詳細なメカニズムはわかっていない。Streptococcus spp. で発見された機構。
[2] Amino acid-dependent decarboxylase/antiporter systems
嫌気条件下において、グルタミン酸、アルギニン、リジン脱炭酸反応に依存して細胞内のプロトン量を恒常化し反応生成物（γ-アミノ酪酸 (GABA)、アグマチン、カダベリン）を細胞外へ排出する。
  • Glutamate-dependent system： Glutamate decarboxylase (GAD, EC 4.1.1.15) と Glutamate/gamma-aminobutyrate antiporter (GadC) で構成される。
  • Arginine-dependent system： Arginine decarboxylase (AdiA, EC4.1.1.19) と Arginine/agmatine antiporter (AdiC) で構成される。
  • Lysine-dependent system： Lysine decarboxylase (CadA, EC 4.1.1.18) と Lysine/cadaverine antiporter (CadB) で構成される。
[3] Deiminase and deaminase systems
pathway および system 内で生産されたアンモニウムイオンと細胞内プロトンが結合しアンモニアを生成する。フリーのアンモニアがプロトンを中和し、結果として細胞内のpHを上昇させることで酸性環境下で耐性を示す。
Amino acid deiminase pathways
  • Arginine deiminase (ADI) pathway： 細胞内に取り込んだアルギニンからオルニチンとカルバモイルリン酸を産生し、カルバモイルリン酸が Carbamate kinase により二酸化炭素とアンモニアを生成する。Arginine deiminase (ArcA, EC 3.5.3.6), Ornithine transcarbamoyltransferase (ArcB, EC 2.1.3.3), Carbamate kinase (ArcC, EC 2.7.2.2) の 3酵素から構成される。pH 3.1 or lower で活動する。
  • Agmatine deiminase (AgDI) pathway： 細胞内に取り込んだアグマチンからプトレシンとカルバモイルリン酸を産生し、カルバモイルリン酸が Carbamate kinase により二酸化炭素とアンモニアを生成する。Agmatine deiminase (AguA, EC 3.5.3.12), Putrescine carbamoyltransferases (AguB, EC 2.1.3.6), Carbamate kinase (AguC) の 3酵素から構成される。
  • YbaS-GadC system： E. coli で見つかった機構。L-グルタミンが酸活性型 Glutaminase (YbaS, EC 3.5.1.2) により L-グルタミン酸とアンモニアを生成する。
  • Adenosine-dependent system： E. coli で見つかった機構。アデノシンが Adenosine deaminase (Add, EC 3.5.4.4) によりイノシンとアンモニアを生成する。
[4] Urea breakdown
Urease (EC 3.5.1.5) 活性により分解生産されたアンモニアが細胞外の pH を上昇させることで耐性を示す。ure genes はオペロンを構成し、触媒活性にニッケルを要求する。
[5] Mechanisms of repair or damage prevention of proteins
細胞質内で酸ストレスによりダメージを受けたタンパク質を取り除くために Cytoplasmic chaperones (DnaK, GroEL) や Periplasmic chaperones (HdeA, HdeB) が誘導される。
[6] Modification of the cell membrane
RpoS 存在下において Cyclopropane fatty acid synthase (EC 2.1.1.79) が不飽和脂肪酸をシクロプロパン脂肪酸へ変換することで膜の流動性を調節し耐性を示す。

参考文献

  • Lund, P. et al. (2014). Coping with low pH: molecular strategies in neutralophilic bacteria. FEMS Microbiol Rev. 38(6):1091-1125. PMID: 24898062
  • Ladero, V. et al. (2011). Sequencing and transcriptional analysis of the biosynthesis gene cluster of putrescine-producing Lactococcus lactis. Appl Environ Microbiol. 77(18):6409-6418. PMID: 21803900
  • Lindgren, J. K. et al. (2014). Arginine deiminase in Staphylococcus epidermidis functions to augment biofilm maturation through pH homeostasis. J Bacteriol. 196(12):2277-2289. PMID: 24727224
  • 相磯 聡子. (2011).「大腸菌における酸耐性調節機構」『杏林医会誌』42巻3号:117-121.
  • Lu, P. et al. (2013). L-glutamine provides acid resistance for Escherichia coli through enzymatic release of ammonia. Cell Res. 23(5):635-644. PMID: 23337585
  • Sun, Y. et al. (2012). Adenosine deamination increases the survival under acidic conditions in Escherichia coli. J Appl Microbiol. 112(4):775-781. PMID: 22277147

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グルタミン酸依存酸耐性

（更新日 2015/07/28）