Jun 03, 2024
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Nature Microbiology 8권, 1549~1560페이지(2023)이 기사 인용 4936 액세스 1 인용 77 Altmetric Metrics 세부 정보 위협을 피하면서 유리한 틈새 시장을 탐색하기 위해 많은 박테리아는 다음을 사용합니다.
자연 미생물학 8권, 1549~1560페이지(2023)이 기사 인용
4936 액세스
1 인용
77 알트메트릭
측정항목 세부정보
위협을 피하면서 유리한 틈새를 탐색하기 위해 많은 박테리아는 주화성 탐색 시스템을 사용합니다. 화학주성에 대한 수십 년의 연구에도 불구하고 대부분의 신호와 감각 단백질은 아직 알려지지 않았습니다. 많은 박테리아 종은 환경에 d-아미노산을 방출합니다. 그러나 그 기능은 거의 인식되지 않은 채 남아 있습니다. 여기에서 우리는 d-아르기닌과 d-라이신이 콜레라 병원균인 Vibrio cholerae에 대한 화학주성 퇴치 신호임을 밝힙니다. 이러한 d-아미노산은 스트레스 반응 시그마 인자 RpoS의 제어 하에 이를 합성하는 라세마제 효소와 공동 전사되는 단일 화학수용체 MCPDRK에 의해 감지됩니다. d-아르기닌 또는 d-리신에 결합된 이 화학수용체의 구조적 특성을 통해 우리는 그 특이성을 정의하는 잔기를 정확히 찾아낼 수 있었습니다. 흥미롭게도, 이러한 d-아미노산의 특이성은 라세마제에 전사적으로 연결된 MCPDRK 상동체에 제한되는 것으로 보입니다. 우리의 결과는 d-아미노산이 불리한 조건에서 생물 다양성과 복잡한 미생물 군집의 구조를 형성할 수 있음을 시사합니다.
대부분의 박테리아는 변화하는 환경에서 번성하기 위해 다양한 신호를 감지하고 반응할 수 있습니다. 그러한 적응 반응 중 하나는 주화성입니다. 이를 통해 운동성 박테리아는 특정 물질의 국소 농도 변화를 모니터링하고 시간이 지남에 따라 박테리아 이동을 유리한 조건(예: 영양소)으로 편향시키거나 독성 화합물로부터 멀어지게 하는 신호 전달 계통을 시작합니다1.
종 특유의 구성 요소가 존재하더라도 주화성 신호 전달 경로의 핵심은 메틸 수용 주화성 단백질(MCP), 어댑터 단백질 CheW, 히스티딘 키나제 CheA 및 반응 조절자 CheY로 알려진 화학수용체로 구성됩니다. 대장균(Escherichia coli)과 같은 일부 종에서 MCP는 일반적으로 세포 극에 모여 있는 CheW 및 CheA와 함께 안정적인 삼원 감각 복합체를 형성합니다. 리간드 결합 또는 기타 환경 교란 시 MCP는 CheW의 도움으로 형태를 변경하고 CheA 키나제 활성을 조절합니다. CheA는 CheY를 인산화하여 편모 모터에 결합하여 시계 방향 회전을 유도하고 이에 따라 세포 텀블링을 유도합니다2,3. 화학주성 자극에 대한 신속한 반응을 보장하기 위해 CheY의 인산화는 특정 포스파타제4에 의해 제어될 수 있습니다. 주화성 신호 전달 핵심 구성 요소는 박테리아와 고세균 사이에서 고도로 보존되어 있지만, 화학 수용체의 수와 유형은 종 간에 매우 다양하며 그 특이성은 크게 특성화되지 않은 상태로 남아 있습니다5,6,7.
단일 화학감각 시스템과 5개의 MCP를 가진 E. coli와 비교하여, 조건성 병원체인 Vibrio cholerae는 세 세트의 화학감각 경로(Che 시스템 I/F9, II/F6 및 III/F7)로 구성된 매우 정교한 화학주성 시스템을 가지고 있습니다. 최소 45개의 화학수용체8. 지금까지 시스템 II/F6만이 운동성을 제어하는 것으로 입증되었지만9 나머지 시스템의 기능은 불분명합니다. 높은 수의 MCP는 V. cholerae 생활주기의 복잡성을 반영하는 것으로 제안되었습니다10; 그러나 소수의 입력 신호(예: l-아미노산11, 타우린12, 산소13)를 제외하고는 대부분의 MCP의 리간드 특이성에 대한 정보가 거의 없습니다.
V. cholerae는 밀리몰 농도의 다양한 d-아미노산(DAA)을 환경으로 방출합니다14,15(그림 1a). DAA는 많은 박테리아 종에서 보존되는 광범위한 스펙트럼 라세마제 BsrV에 의해 L-아미노산(LAA) 대응물로부터 생산됩니다. 이러한 분자는 다양한 세포 과정(예: 세포벽 생물 발생16,17, 생물막 무결성18,19,20,21, 포자 발아22 또는 박테리아-박테리아 상호 작용15)을 조절하지만 전반적으로 세포외 DAA의 생리학적 역할은 주로 각 특정 d- 아미노산 유형 및 박테리아 종. V. cholerae에서는 d-Met와 d-Leu가 세포벽 생합성을 조절하는 것으로 알려져 있지만 다른 DAA의 기능은 불분명합니다.
1, attractants; CR < 1, repellents; CR = 1, no response. Black diamonds represent the mean of 3 independent biological replicates. Significant differences (unpaired t-test) are indicated by *P < 0.05 or ***P < 0.001. f, Thermal proteome profiling analysis of V. cholerae cell extracts exposed to d-Arg. Stabilized and destabilized proteins in the presence of d-Arg are highlighted in red and green, respectively. From the 45 MCPs found in V. cholerae’s genome (black), only 3 interacted with d-Arg: VC2161, VC1313 and VC1406. g, Chemotactic response of selected MCP candidates to d-Arg. Double mutants (ΔbsrV Δmcp) were constructed and the ability to respond to d-Arg was tested by capillary assays. ΔbsrV strain was used as background. LAA, l-amino acids; DAA, d-amino acids. Black diamonds represent the mean of 3 independent biological replicates. Significant differences (unpaired t-test) are indicated by ***P < 0.001./p> 500 cells). The colour bar represents fluorescence intensity. b, Bottom: growth-phase dependent subcellular localization of sfGFP-MCPDRK. Filled grey circles, OD600 of V. cholerae grown in TB; open tradewind-blue circles, percentage of cells with sfGFP-MCPDRK polar foci. Top: western blot against sfGFP-MCPDRK using anti-GFP-specific antibody at the indicated OD600. Samples were normalized and loaded with equal protein amount. c, Growth curve of V. cholerae grown in MSR6 minimal medium supplemented with 0.04% w/v d-glucose and 0.4% w/v succinate (grey line) at the indicated timepoints. The corresponding percentage of cells with sfGFP-MCPDRK foci (open tradewind-blue circles) is also indicated. Red (glucose depletion) and purple (succinate depletion) arrows indicate carbon starvation. Quantification of % of cells with polar foci in b and c was based on a single experiment where >500 cells were counted from 3 different images per timepoint. d, Left: micrographs showing the expression of sfGFP-MCPDRK in a ΔrpoS mutant background. Representative micrographs of 3 independent replicates are shown; at least 3 images were acquired per timepoint: scale bar, 2 μm. Right: demographic analysis of the fluorescence intensity of sfGFP-MCPDRK relative to cell length. The colour bar represents fluorescence intensity. e, Chemotaxis response of ΔrpoS mutant to d-Arg. Black diamonds represent the mean of 3 independent biological replicates. Error bars represent mean ± s.d. of 3 biologically independent replicates. Significant differences (unpaired t-test) are indicated by ***P < 0.001. f, DAA production by the different strains. Significant differences (unpaired t-test) are indicated by **P < 0.01 or ***P < 0.001./p>50%) cluster together with a BsrV-like racemase (for example, many Vibrio species and Moritella sp.), suggesting coevolution of d-amino acid production and chemotactic recognition. In these orthologues, the d-Arg/d-Lys binding site residues are either fully conserved or have only subtle changes (for example, V. metschnikovii, V. cincinnatiensis and V. anguillarum; see Extended Data Fig. 7). Species with MCPDRK orthologues of slightly lower identity (48–51%) (for example, Aeromonas and Aliivibrio) form a single clade and typically show a substantial change in two important binding site residues: D > S in position 47, resulting in a loss of the salt bridge with the ligand, and W > G in position 107, which removes the stacking interaction with the ligand. Remarkably, in these species, the BsrV-like racemase does not form an operon with the chemoreceptor but is encoded elsewhere in the genome. Finally, the species encoding MCPDRK homologues of lower identity (<45%) (for example, V. owensii) contain neither the d-Arg/d-Lys binding residues nor a BsrV-like locus./p> 0) or down (b < 0) the gradient./p>
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