プロパンジオール利用のための細菌メタボロソームの生合成

Nature Communications volume 13、記事番号: 2920 (2022) この記事を引用

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細菌のメタボロソームは、細菌のタンパク質小器官のファミリーです。 何千ものタンパク質がどのように自己集合して機能的なメタボロソームを形成するかを解明することは、細胞の代謝と病因におけるそれらの重要性を理解するために不可欠です。 今回我々は、プロパンジオール利用（Pdu）メタボロソームの新規生合成を研究し、機能的メタボロソームの生成と細胞内位置決めにおける主要な構成成分の役割を特徴づけます。 我々の結果は、「カーゴファースト」戦略のみを伴うβ-カルボキシソーム構造類似体とは異なり、Pdu メタボロソームが「シェルファースト」と「カーゴファースト」の両方の集合経路をとることを示しています。 シェルと貨物のアセンブリはセル極で独立して発生します。 内部カーゴコアは、複数の酵素複合体の規則正しい集合を通じて形成され、メタボロソーム構造内で液体のような特性を示します。 私たちの発見は、細菌のメタボロソーム集合を駆動する分子原理に対する機構的な洞察を提供し、液体様細胞小器官の生合成についての理解を広げます。

真核細胞および原核細胞内の代謝経路の区画化は、エネルギーと代謝の両方を強化および制御します1。 特定の代謝機能を実行するために脂質結合細胞小器官を使用する真核生物とは異なり、多くの細菌は細菌微小区画 (BMC) と呼ばれるタンパク質性細胞小器官を進化させており、これにより細菌細胞の細胞質内で重要な代謝プロセスが機能できるようになります 2,3,4。 BMC は、酵素と代謝産物の両方をカプセル化した単層のタンパク質性の殻で構成されています。 ウイルスのような多面体の殻は、代謝産物の通過を制御する物理的障壁として機能し、隔離された微小環境での異化作用を促進します5、6、7、8。 BMC の高度に進化した構造と集合の特徴により、特殊な細菌細胞小器官が、多様な細菌種にわたる CO2 固定、感染、微生物生態学において極めて重要な役割を果たすことが可能になります 2,9,10。

最もよく特徴付けられている BMC はカルボキシソーム (カプセル化されたルビスコの種類に基づく α- および β-カルボキシソームを含む同化 BMC) で、すべてのシアノバクテリアおよび多くの化学独立栄養生物の CO2 固定を強化します 11、12、13、14。 対照的に、1,2-プロパンジオール (1,2-PD) 利用マイクロコンパートメント (Pdu BMC) は異化 BMC またはメタボロソームのモデルです。 サルモネラ菌の病因の重要な段階は、哺乳類の胃腸管への定着であり、これには 1,2-PD15 を含む多くの炭素源の異化が必要です。 Pdu BMC は、胃腸の病因発生中の 1,2-PD の分解において重要な役割を果たし、特定の酸素欠乏環境ニッチにおける細菌の適応度を促進します 16、17、18、19、20、21、22。

Pdu BMC の構造は、固有のタンパク質の自己集合を介して、18 ～ 20 の異なるタイプの 1 万を超えるタンパク質サブユニットによって構築されます 23、24、25、26。 現在の知識に基づくと、病原菌サルモネラ・エンテリカ血清型ネズミチフス菌（S. Typhimurium）の Pdu BMC シェルには、PduA、PduB、PduB'、PduM、PduN、PduJ、PduK、PduT、および PduU の 9 種類のタンパク質パラログが含まれています 27,28。 。 六量体タンパク質 PduJ は、ネズミチフス菌 LT2 の Pdu BMC 内で最も豊富なシェルタンパク質であり、次に PduA および PduBB'24 が続きます。 PduB と PduB' は重複する遺伝子によってコードされており、PduB は PduB'29 にはない N 末端 37 アミノ酸伸長を持っています。 五量体タンパク質 PduN は、多面体シェルの頂点を占めます 30。 PduBB'、PduA または PduJ、および PduN は、Pdu BMC の形成と構造に必須のシェル成分です 27,31。 PduM は構造タンパク質であり、PduN24 よりもはるかに存在量が少なく、Pdu BMC28 内で機能が不明です。 PduK は、Pdu BMC24 内のもう 1 つのマイナーなシェル タンパク質です。