Biosintesi del colesterolo de novo nei batteri

Nature Communications volume 14, numero articolo: 2904 (2023) Citare questo articolo

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Gli eucarioti producono steroli altamente modificati, compreso il colesterolo, essenziali per la fisiologia eucariotica. Sebbene sia noto che poche specie batteriche producono steroli, non è stata segnalata la produzione de novo di colesterolo o altri steroli complessi nei batteri. Qui mostriamo che il mixobatterio marino Enhygromyxa salina produce colesterolo e forniamo prove di ulteriori modifiche a valle. Attraverso l'analisi bioinformatica identifichiamo una presunta via di biosintesi del colesterolo in E. salina in gran parte omologa alla via eucariotica. Tuttavia, prove sperimentali indicano che la completa demetilazione al C-4 avviene attraverso proteine ​​batteriche uniche, distinguendo la biosintesi del colesterolo batterica ed eucariotica. Inoltre, le proteine ​​del cianobatterio Calothrix sp. I NIES-4105 sono anche in grado di demetilare completamente gli steroli nella posizione C-4, suggerendo che la biosintesi complessa degli steroli può essere trovata in altri phyla batterici. I nostri risultati rivelano una complessità non apprezzata nella produzione di steroli batterici che rivaleggia con quella degli eucarioti ed evidenziano la complicata relazione evolutiva tra la biosintesi degli steroli nei domini batterico ed eucariotico.

Gli steroli sono una classe di lipidi eucariotici ubiquitari ed essenziali, importanti in una varietà di funzioni fisiologiche tra cui la segnalazione cellulare, l'omeostasi della membrana e i tempi di sviluppo1,2,3. La biosintesi degli steroli eucariotici è stata studiata approfonditamente rivelando percorsi biosintetici complessi che includono un insieme condiviso di enzimi utilizzati per produrre prodotti finali di steroli simili che variano nel livello di insaturazioni, demetilazioni e alcalizioni4,5. L'ordine delle reazioni in queste vie biosintetiche determina la produzione e l'accumulo di intermedi sterolici che svolgono un ruolo regolatore nell'omeostasi lipidica6,7, nella biosintesi dei prodotti a valle8 e nella risposta allo stress9. Le modifiche chimiche necessarie per sintetizzare il colesterolo nei vertebrati, i fitosteroli nelle piante e l'ergosterolo nei funghi sono essenziali per le proprietà biofisiche di questi lipidi, influenzando la localizzazione e la dinamica delle membrane nei rispettivi organismi10,11,12. Questi steroli fungono anche da punto di diramazione per la biosintesi dei metaboliti a valle. Le reazioni di ossidazione sono coinvolte nella conversione degli steroli in un'ampia gamma di composti tra cui ossisteroli, acidi biliari, ormoni steroidei e brassinosteroidi che possono tutti funzionare come ligandi in varie vie di segnalazione13,14,15. Gli eucarioti coniugano anche gli steroli a zuccheri, proteine ​​e altri lipidi, espandendo ulteriormente la funzione degli steroli per includere la difesa cellulare, l'immagazzinamento di energia, la digestione e la segnalazione16,17,18. Nel complesso, la complessità della biosintesi degli steroli eucariotici riflette le diverse funzioni e i ruoli significativi che questi lipidi svolgono nella fisiologia eucariotica.

Mentre la biosintesi e la funzione degli steroli sono state ben studiate negli organismi eucarioti, la sintesi e la funzione degli steroli batterici sono relativamente sottoesplorate. È noto che diversi batteri, tra cui metanotrofi aerobici, planctomiceti e vari mixobatteri, producono steroli de novo19. A differenza degli eucarioti, questi batteri producono in gran parte lanosterolo, parkeolo o cicloartenolo, i prodotti iniziali della ciclizzazione dell'ossidosqualene ciclasi (OSC)20,21,22. Tuttavia, alcuni batteri eseguono ulteriori modifiche chimiche durante la sintesi degli steroli; i batteri metanotrofi modificano gli steroli in strutture monometilate distinte specifiche delle Methylococcaceae19, i planctomiceti produttori di steroli coniugano gli steroli a una macromolecola non identificata21 e diversi Myxococcota23 producono intermedi nella via di biosintesi del colesterolo, incluso lo zimosterolo19,22,24. Inoltre, gli studi filogenomici hanno ampliato il numero di potenziali produttori di steroli batterici, identificando i geni richiesti sia per la ciclizzazione che per le modifiche a valle nei phyla attraverso il dominio batterico25,26. Molti di questi batteri possiedono il potenziale genetico per produrre gli steroli biosinteticamente complessi associati agli eucarioti, compreso il colesterolo, tuttavia le analisi dei lipidi devono ancora confermare la presenza di questi steroli nei batteri5.