ウンデカプレニルリン酸トランスロカーゼは条件付きの微生物適合性を付与します

Nature volume 613、pages 721–728 (2023)この記事を引用

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微生物の細胞壁は、細胞の形状の維持と外部ストレス要因に対する耐性に不可欠です1。細胞壁の主な構造成分は、細胞膜の外側に位置するペプチド架橋を持つ糖ポリマーであるペプチドグリカンです1。ペプチドグリカンの生合成と構造は、pH や塩分などの環境条件の変化に応答します 2、3、4、5、6 が、そのような適応の根底にあるメカニズムは完全には理解されていません。ペプチドグリカンおよびその他の細胞表面糖ポリマーの前駆体は細胞質内で合成され、リサイクル可能な脂質キャリアであるウンデカプレニルリン酸 7 (C55-P、UndP としても知られる) に結合して細胞膜を通って送達されます。今回我々は、DUF368を含む膜貫通タンパク質ファミリーとDedA膜貫通タンパク質ファミリーをC55-Pトランスロカーゼの候補として同定し、微生物の細胞表面ポリマーの生合成に必要なタンパク質に関する知識の重大なギャップを埋める。同族のDUF368含有タンパク質を欠くグラム陰性菌およびグラム陽性菌は、細胞表面のC55-Pレベルの増加とともに、アルカリ依存性の細胞壁および生存能力の欠陥を示した。 DUF368 含有タンパク質と DedA ファミリーメンバー間の pH 依存性の合成遺伝的相互作用は、C55-P トランスポーターの使用が動的であり、環境入力によって調節されることを示唆しています。 C55-P トランスポーター活性は、コレラ病原体が腸内で成長し細胞の形状を維持するために必要でした。私たちは、条件付きトランスポーターへの依存が脂質キャリアのリサイクルに回復力をもたらし、宿主の内部と外部の両方で微生物のフィットネスを強化すると提案します。

リン酸化ウンデカプレニル (C55) 脂質は、微生物細胞表面の糖ポリマー生合成においてリサイクル可能なキャリア分子として重要な役割を果たしています7。ペプチドグリカンの生合成中、細菌の細胞質内で組み立てられるペプチドグリカンの糖結合ペンタペプチドサブユニットは、膜貫通輸送のために C55-P に共有結合します 7 (図 1a)。キャリア結合ペプチドグリカン前駆体（リピド II）が MurJ8 によって膜の内側から外側へ移動した後、続いて重合ペプチドグリカンにムロペプチドが取り込まれ、C55 ピロリン酸（C55-PP）が残ります。キャリアのリサイクルは、UppP (BacA としても知られる) や PAP2 ドメインタンパク質 PgpB、YbjG、LpxT7 などの膜関連ホスファターゼによる C55-PP から C55-P への加水分解によって開始されます。その後、C55-P はおそらく膜のサイトゾル面に反転されて再利用が完了します。予備的な構造研究では、UppP が C55-P トランスロカーゼとしても機能する可能性があることが提案されています 9,10 が、C55-P 内部移行に関与するタンパク質はまだ同定されていません。 C55-P のリサイクルは、ペプチドグリカンだけでなく、壁タイコ酸、特定のリポ多糖修飾、カプセルなどの他の細胞表面グリコポリマーの生合成における重要なステップです7。 C55-P リサイクルは細胞表面の維持における広範囲かつ重要な役割を考慮して、抗菌療法の重要な標的であると考えられており、このプロセスを阻害する天然に存在する抗生物質が特定されています 11。

a、細菌におけるC55-Pの使用とリサイクル。図 3 に関連する抗生物質の作用部位は赤いバーで示されています。破線の矢印は、複数の酵素および/または輸送ステップを表します。灰色の六角形は、下流の糖ポリマー集合のために C55-P に結合した可変糖を表します。 LPS、リポ多糖類。 PG、ペプチドグリカン。 b、選択された細菌門（直立）および属（斜体）におけるDUF368の保存。色付きのセグメントと関連するラベルは、DUF368 が実質的に保存されている選択された門を示します。 DUF368 含有タンパク質をコードする配列決定された固有のクレードゲノムの割合が示されています。 c、d、VCA0040の予測リボン(c)および静電表面着色構造(d)。カラースケール、-10 ～ 10 kcal (mol e-)。 e、f、LB培地における野生型（WT）、Δvca0040およびΔvca0040 + vca0040（染色体的に相補された）コレラ菌の増殖（e）および形態（f）。 g、中程度のpHのコレラ菌の一晩LB培養物。 h、示されたpHに緩衝化されたM9培地におけるコレラ菌の増殖。 i、対数増殖期のコレラ菌の形態に対する緩衝使用済み上清（1:1,000培養物から30℃で24時間増殖させた後の無細胞培地）の効果。 j、50 mM Na2HPO4 で緩衝したLB培地中での対数期中のコレラ菌の増殖（上）および形態（下）に対するpHの影響。注意：緩衝されていない培地。 e、g、h、データは、株または条件ごとに n = 3 培養からの平均±標準偏差です。 f、i、j、株または条件ごとの n = 3 培養からの代表的な画像。スケールバー、3 μm (f) および 5 μm (i、j)。

200 cells) and multiple independent replicate cultures as indicated./p> 6. Library preparation and sequencing was performed by the Microbial Genome Sequencing Center (Pittsburgh). RNA-sequencing analysis was performed largely as described59. Reads were mapped to the V. cho\lerae KW3 genome (NCBI assembly GCA_001318185.1) with Bowtie2 (version 2.4.1)60. A read matrix for each sample was then generated with featureCounts from Rsubread (version 2.4.3)61. Read matrices were then analysed with DESeq2 (version 1.30.1) using default settings in R (version 4.0.3) to identify differentially expressed genes. Data shrinkage was performed with ashr62./p>150 and isolation specificity of >0.5./p>90% of reads and did not occur in a known poorly mapping or highly repetitive region such as a tRNA locus. For the secondary screen in secDF2- Δvca0040 bacteria, the Δvca0040 deletion was re-derived three independent times in the ΔsecD2 or ΔsecF2 background. Suppressors were isolated and sequenced identically to those in the parental Δvca0040 background./p>

20 sphere-shaped bacteria across n = 3 separate fields of view from a single overnight culture. Scale bars: 3 (b,c,f) or 5 (d,e) µm./p>

Order>Family>Genus>Species). Archaeal clades are combined on the tab “Archaea”./p>100 before sorting by mean log2 fold change./p>