酸化ストレス反応におけるグリオキシレートシャントの役割

グリオキシレートシャント（GS）は、2段階の代謝経路（イソクエン酸リアーゼ、ACEA、およびマリン酸シンターゼ、GLCB）であり、トリカルボン酸サイクルの代替として機能します。GSは、トリカルボン酸サイクルの二酸化炭素産生のステップをバイパスし、細菌の酢酸および脂肪酸代謝に不可欠です。GSは、酸化ストレス、抗生物質ストレス、および宿主感染の条件下でアップレギュレートできます。これは、ストレス防御と病因における重要であるが不十分に調査された役割を果たしていることを意味します。緑膿菌を含む多くの細菌種では、緑膿菌の大腸菌とは異なり、GS遺伝子と成長、転写プロファイル、バイオフィルム形成の関係を調査しました。私たちの期待に反して、緑膿菌におけるACEAの削除は、酸化的および抗生物質ストレスの条件下での細胞の成長を改善しました。トランスクリプトームのデータは、ACEA変異体が好気性脱窒に向けて代謝シフトを受けたことを示唆しています。これは、脱窒関連遺伝子のアップレギュレーション、ATP収率を下げることなく酸素消費の減少、脱窒中間体（NOおよびN2O）の産生の増加、シアン化物耐性の増加など、追加の証拠によって裏付けられました。ACEA変異体はまた、厚い外骨糖層を生成しました。つまり、好気性脱窒と一致する表現型です。既知の細菌ゲノム全体のバイオインフォマティック調査では、好気性代謝が可能な微生物のみがグリオキシレートシャントを持つことが示されました。この傾向は、GSが細菌が酸化ストレスに耐えることを許可する上で以前に認識されていなかった役割を果たしているという仮説と一致しています。

The glyoxylate shunt (GS) is a two-step metabolic pathway (isocitrate lyase, aceA; and malate synthase, glcB) that serves as an alternative to the tricarboxylic acid cycle. The GS bypasses the carbon dioxide-producing steps of the tricarboxylic acid cycle and is essential for acetate and fatty acid metabolism in bacteria. GS can be up-regulated under conditions of oxidative stress, antibiotic stress, and host infection, which implies that it plays important but poorly explored roles in stress defense and pathogenesis. In many bacterial species, including Pseudomonas aeruginosa, aceA and glcB are not in an operon, unlike in Escherichia coli In P. aeruginosa, we explored relationships between GS genes and growth, transcription profiles, and biofilm formation. Contrary to our expectations, deletion of aceA in P. aeruginosa improved cell growth under conditions of oxidative and antibiotic stress. Transcriptome data suggested that aceA mutants underwent a metabolic shift toward aerobic denitrification; this was supported by additional evidence, including up-regulation of denitrification-related genes, decreased oxygen consumption without lowering ATP yield, increased production of denitrification intermediates (NO and N2O), and increased cyanide resistance. The aceA mutants also produced a thicker exopolysaccharide layer; that is, a phenotype consistent with aerobic denitrification. A bioinformatic survey across known bacterial genomes showed that only microorganisms capable of aerobic metabolism possess the glyoxylate shunt. This trend is consistent with the hypothesis that the GS plays a previously unrecognized role in allowing bacteria to tolerate oxidative stress.