緑膿菌が呼吸酵素を作り替えることで環境適応する新しいメカニズムを発見

　緑膿菌は土壌や水圏のさまざまな環境中に生息する環境遍在性の細菌で、ヒトを含めた多くの動植物に対して病原性を示し、日和見感染や院内感染の原因菌として問題となっています。緑膿菌は活性酸素(注４)や活性窒素(注５)、抗生物質などのストレスに対して高い耐性を示します。この耐性の高さは、感染宿主の免疫系からの攻撃に対する抵抗性の原因となり、抗生物質を用いる感染症治療の障壁になっています。緑膿菌の環境遍在性とストレス耐性の要因として、多様なエネルギー代謝系を有していることが挙げられます。特に、本菌は呼吸関係の酵素を複数持っており、環境変化に応じてこれらを使い分けることで、感染病巣を含めた様々な環境で生育可能です。また、酸素の代わりに硝酸を用いる脱窒(注６)と呼ばれる嫌気呼吸により、酸素のない環境下でも生育することができます。
　緑膿菌は好気呼吸において酸素を水に還元する末端酸化酵素として、シトクロムc酸化酵素を３種類(aa3, cbb3-1, cbb3-2)とキノール酸化酵素を２種類(bo3, CIO)持っています(図１)。cbb3型酵素は酸素に対する親和性が高く、一般的には低い酸素濃度環境で働く酵素ですが、緑膿菌では高酸素環境でもcbb3型の酵素であるcbb3-1が主要に働くという特徴があり、低酸素環境ではもう一つのcbb3-2が主要に働きます。cbb3型酵素のような酸素に対する親和性が高い酵素は、好気呼吸によるエネルギー生産だけでなく、微量の酸素を除去することで酸化ストレス耐性や、酸素に弱い酵素の保護に働くことが知られています。緑膿菌はcbb3型酵素を主要な酵素として利用することで、各種ストレスに対する耐性を獲得していると考えられます。 　cbb3型酵素は３つのサブユニット(注７) (CcoN, CcoO, CcoP)からなる酵素で、CcoNが活性中心(注８)のある主要サブユニットです。緑膿菌のゲノムには、cbb3-1を構成するCcoN1, CcoO1, CcoP1と、cbb3-2を構成するCcoN2, CcoO2, CcoP2をコードする遺伝子群の他に、CcoNと類似のタンパク質(CcoN3とCcoN4)をコードする遺伝子が存在します。しかし、CcoN3とCcoN4単独では活性型酵素を作れないため、それらの役割は不明でした。本発表では、CcoN3とCcoN4が、cbb3-1またはcbb3-2のCcoOとCcoPサブユニットを使って活性型酵素複合体を形成することを明らかにしました。また、緑膿菌はサブユニットの組み合わせにより16種類の酵素複合体を作る能力があることを示しました(図２)。
　CcoN3またはCcoN4を含む酵素は、それぞれ亜硝酸イオンまたはシアン化物イオンによって発現が誘導され、それらの物質に対して耐性が高いことが分かりました。亜硝酸イオンやシアン化物イオンに対する耐性は、緑膿菌の感染病巣での生存に必要であることが知られています。本研究により、緑膿菌はcbb3型酵素を耐性の高いタイプに作り替えることで、これらの物質に対する耐性を獲得していることが明らかになりました。この能力は、緑膿菌とその類縁菌に限られたものであることから、緑膿菌感染症治療の標的として新たな治療法の開発につながることが期待されます。
　本研究は、文部科学省からの科学研究費補助金（新学術領域研究「酸素生物学」）による支援を受けて行われました。