Computational search for UV radiation resistance strategies in Deinococcus swuensis isolated from Paramo ecosystems

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Díaz-Riaño J, Posada L, Acosta IC, Ruíz-Pérez C, García-Castillo C, Reyes A, Zambrano MM.

PLoS One. 2019 Dec 2;14(12):e0221540.

doi: 10.1371/journal.pone.0221540. PMID: 31790419; PMCID: PMC6886795.

Computational search for UV radiation resistance strategies in Deinococcus swuensis isolated from Paramo ecosystems

 極端な温度、圧力、放射線条件にさらされた多様な自然環境や人工環境は、例外的な表現型や遺伝子型の特性を持つ微生物の魅力的な供給源である。高山地のパラモ生態系は、高緯度地域のツンドラ生態系と同様に、過酷な環境条件にさらされた高標高地域で構成されている。パラモ生態系は日射量が多く、紫外線によるダメージを受ける可能性があり、生物の生存が課題となっている。紫外線は、核酸、タンパク質、脂質などの細胞成分を損傷することで生物に影響を与える。細胞への致命的な影響は、二本鎖切断と一本鎖切断などのDNAへの直接的な損傷や、DNAの複製や転写を阻害するピリミジン二量体化や光生成物による損傷などである。しかし、損傷の大部分は、化学的に反応性の高いスーパーオキシドやヒドロキシルラジカルなどの活性酸素種の産生によって間接的に引き起こされ、タンパク質を含む様々な細胞構成要素に影響を与えている。

 細胞成分に対する紫外線の有害な影響は波長に依存する。UVBはDNA構造(ピリミジン二量体)の直接的な破壊を引き起こすのに対し、UVAはより遠くの組織に到達し、活性酸素(脂質、タンパク質、およびDNAへの損傷)を生じる。UVC放射は地球表面には存在しないが、UVBまたはUVA放射に対して高い耐性を持つ細菌のUV感受性を研究するために利用されている。放射線に対する耐性を持つ生物は、生命の3つのドメインすべてで確認されている。紫外線に対する耐性に関与すると提案されているメカニズムは様々であり、DNA修復のための戦略、酵素または非酵素的抗酸化防御のいずれかを用いた活性酸素からの保護、細胞内マンガンおよび色素産生などの細胞内抗酸化防御、タンパク質の折り畳みおよび分解システムなどが含まれている。細菌は多様な代謝能力を持っており、極端な条件の下で生き残るために、他のグループの生物には近づけない生息地に定着する不思議な能力を持っている。おそらく、非常に放射線に強い細菌の最も代表的なメンバーは、Deinococcaceaeに属し、12,000Gy(J/Kg)以上の電離放射線、1,000J/m2以上の紫外線への曝露に耐え、1時間あたり50Gyの過酷な照射下で生育することができる。最近、韓国の土壌から分離された株からゲノムが公開されたDeinococcus swuensisもまた、紫外線に対して高い耐性を持つことが報告されている。

 放射線ストレス下での D. radiodurans のトランスクリプトーム研究では、DNA 修復、細胞回復、抗酸化防御に関与する遺伝子が誘導されていることが示されている。また、D. gobiensisのRNA-Seq解析では、紫外線に応答してDNA修復と調節に関わる遺伝子が誘導されていることが示されている。これらの研究は、より最近の研究と合わせて、機能性タンパク質をコードしないが、転写や翻訳の調節に重要な役割を果たすことができる分子である低分子・ノンコーディングRNA(sRNA/ncRNA)のサブセットの発現が異なることを示している。

 高線量放射線に対するストレス応答時の正確な役割はまだ解明されていないが、紫外線処理時のncRNAの発現の違いは、これらの分子が保護機構を誘発する上で重要であることを示唆している。新しい仮説では、sRNAはそのサイズが小さいためにほとんど損傷を受けずに残っているため、sRNAが細胞の被ばく後の回復に寄与する可能性があることが示唆されている。実験的証拠は、これらのsRNAを、温度、pH、およびその他の致死的ストレス因子の変化への応答など、さまざまな代謝経路に配置することを示している。最近報告された耐放射線性に関与するsRNAはY-RNAであり、特定の二次構造を持ち、いくつかの生物に保存されているRoとして知られるタンパク質に結合する分子である。D. radioduransでは、Y-RNAはRoのオルソログであるRsrと結合してリボ核タンパク質(Ro-RNP)複合体を形成し、細菌のRNA分解のための効果的な機械として機能することが明らかになった。D. radioduransは紫外線に反応してRo-RNPをアップレギュレートし蓄積することが明らかになっており、Roタンパク質を欠失した細胞はUV曝露後の生存率が低下していた。

 本研究では、アンデス山地の高地パラモのような高い日射量にさらされる場所には、紫外線に抵抗できる微生物が存在しているはずだという仮説を立てた。これまでの結果から、パラモ固有の植物であるEspeletia sp.に関連する葉圏微生物群集には、紫外線やその他のストレス条件への抵抗性に関わる遺伝子が含まれていることが示されており、微生物の抵抗性戦略についての知見が得られる可能性があると考えられた。本研究の目的は、高山性植物であるEspeletia hartwegianaの葉圏微生物の紫外線耐性を解析し、耐性戦略に関連する遺伝子を同定することである。D. swuensisは、800J/m2の紫外線処理後に60%までの高い生存率を示した。400J/m2の紫外線に細胞を曝露した後(95%以上の生存率)、RNA-seqを用いた発現解析に使用した。発現した遺伝子は、R-BioconductorパッケージNOISeqを用いて同定し、この属について報告されている他の抵抗性戦略と比較した。過剰発現として同定された遺伝子には、転写調節因子や紫外線による損傷に対する保護に関与する遺伝子が含まれていた。ncRNAもまた、これまでに関与していなかった遺伝子のいくつかが異なる形で発現していた。本研究は、D. swuensis の放射線応答を特徴づけ、極限環境への適応に ncRNA が関与していることを示している。

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