ドメイン細菌と古細菌のホモログを伴うフェレドキシンおよびF420H2依存性、電子二胞子化、ヘテロジスルフィドレダクターゼ

非標識：HDRABCクラスのヘテロジスルフィドレダクターゼ（HDR）は、古代の酵素であり、原核生物の共通祖先に属する嫌気性コアの成分です。古代の起源は、多様な生理学的機能を予測する代謝的に多様な原核生物における推定HDRABCホモログをコードする遺伝子の広範な発生と一致しています。しかし、特徴づけられたHDRABCは1つだけであり、これはドメインARCHAEAからの必須還元メタン生成嫌気薬（メタンゲン）の狭い代謝グループからのものでした。構造的および機能的に異なる特性を持つアセチボランは、特徴づけられている他のHDRABCのみとは異なります。HDRA2B2C2アーキタイプのホモログは、系統発生的および代謝的に多様な種にドメイン細菌および古細菌に存在します。電子ドナーとしてのフェレドキシンまたはコエンザイムF420（F420H2）。驚くべきことに、HDRA2B2C2は、F420H2の以前は未知のエンダルゴニック酸化とフェレドキシンの還元と、F420H2のエクセルゴニック酸化と、コエンザイムMおよびコエンザイムBのヘテロジスルフィドの減少を伴うものと結合します（COMS-SCOB）。ユニークな電子分岐は、ANME環境からのM. acetivoransおよび培養種によるFe（III）依存性嫌気性メタン酸化（ANME）におけるHDRA2B2C2の役割を予測します。酢酸栄養メタノゲンのユビキタスであるHDRA2B2C2は、M。acetivoransのアセト栄養成長中に電子移動に関与することが示されており、アセテートが制限されているときに環境の成長に不可欠であることが提案されています。 重要性：原型HDRA2B2C2ヘテロジスルフィドレダクターゼの発見は、カテゴリー的にユニークな特性を備えたヘテロジスルフィドレダクターゼは、CO2還元メタノゲンを超えてこの古代ファミリーの理解を拡張し、ドメイン細菌と古細菌からの多様な原核生物を含めて、前例のないcoenzyme f420依存性電子ビフルセーションの前提条件である保全は、嫌気性CH4酸化経路を含む多様な代謝におけるHDRA2B2C2の役割を予測します。結果は、地球の生物圏で生成されたメタンの少なくとも3分の2を担当する酢酸酸化メタン生成におけるHDRA2B2C2の電子輸送の役割を記録しています。以前に利用できなかった個々のサブユニットの不均一な生産と活動によるHDRA2B2C2の再構成により、HDRABCクラスでのサブユニット間移動と電子分岐の原理を調査するためのプラットフォームの理解が提供されました。

UNLABELLED: Heterodisulfide reductases (Hdr) of the HdrABC class are ancient enzymes and a component of the anaerobic core belonging to the prokaryotic common ancestor. The ancient origin is consistent with the widespread occurrence of genes encoding putative HdrABC homologs in metabolically diverse prokaryotes predicting diverse physiological functions; however, only one HdrABC has been characterized and that was from a narrow metabolic group of obligate CO2-reducing methanogenic anaerobes (methanogens) from the domain Archaea Here we report the biochemical characterization of an HdrABC homolog (HdrA2B2C2) from the acetate-utilizing methanogen Methanosarcina acetivorans with unusual properties structurally and functionally distinct from the only other HdrABC characterized. Homologs of the HdrA2B2C2 archetype are present in phylogenetically and metabolically diverse species from the domains Bacteria and Archaea The expression of the individual HdrA2, HdrB2, and HdrB2C2 enzymes in Escherichia coli, and reconstitution of an active HdrA2B2C2 complex, revealed an intersubunit electron transport pathway dependent on ferredoxin or coenzyme F420 (F420H2) as an electron donor. Remarkably, HdrA2B2C2 couples the previously unknown endergonic oxidation of F420H2 and reduction of ferredoxin with the exergonic oxidation of F420H2 and reduction of the heterodisulfide of coenzyme M and coenzyme B (CoMS-SCoB). The unique electron bifurcation predicts a role for HdrA2B2C2 in Fe(III)-dependent anaerobic methane oxidation (ANME) by M. acetivorans and uncultured species from ANME environments. HdrA2B2C2, ubiquitous in acetotrophic methanogens, was shown to participate in electron transfer during acetotrophic growth of M. acetivorans and proposed to be essential for growth in the environment when acetate is limiting. IMPORTANCE: Discovery of the archetype HdrA2B2C2 heterodisulfide reductase with categorically unique properties extends the understanding of this ancient family beyond CO2-reducing methanogens to include diverse prokaryotes from the domains Bacteria and Archaea The unprecedented coenzyme F420-dependent electron bifurcation, an emerging fundamental principle of energy conservation, predicts a role for HdrA2B2C2 in diverse metabolisms, including anaerobic CH4-oxidizing pathways. The results document an electron transport role for HdrA2B2C2 in acetate-utilizing methanogens responsible for at least two-thirds of the methane produced in Earth's biosphere. The previously unavailable heterologous production of individual subunits and the reconstitution of HdrA2B2C2 with activity have provided an understanding of intersubunit electron transfer in the HdrABC class and a platform for investigating the principles of electron bifurcation.