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Jul 31, 2023

MenT ヌクレオチジルトランスフェラーゼ毒素は tRNA アクセプターステムを拡張し、非対称な抗毒素結合によって阻害される可能性がある

Nature Communications volume 14、記事番号: 4644 (2023) この記事を引用する 1087 アクセス 21 Altmetric Metrics の詳細 Mycobacterium tuberculosis、ヒトの結核の原因となる細菌、

Nature Communications volume 14、記事番号: 4644 (2023) この記事を引用

1087 アクセス

21 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ヒトの結核の原因菌である結核菌は、機能がほとんど知られていない非常に多数の毒素-抗毒素システムをコードするゲノムを持っています。 我々は最近、結核菌のゲノムが、広く普及しているヌクレオチジルトランスフェラーゼ毒素-抗毒素システムのMenATファミリーのうちの4つをコードしていることを示した。 この研究では、tRNA シーケンスを使用して MenT1 tRNA 修飾活性を実証し、MenAT1 を特徴付けます。 MenT1 活性は、MenA3 キナーゼとは無関係の短いタンパク質抗毒素である MenA1 によってブロックされます。 X線結晶構造解析により、2つのMenT1プロトマーにわたるMenA1の非対称結合により保存されたMenTフォールドが遮断され、ヘテロ三量体毒素-抗毒素複合体が形成されることが示された。 最後に、毒素 MenT4 による tRNA 修飾も実証し、MenT ファミリー全体で活性が保存されていることを示します。 私たちの研究は、MenT 毒素による tRNA 標的の好みの変化、ヌクレオチド基質の選択的使用、MenA 抗毒素活性の多様なモードを強調しています。

毒素-抗毒素 (TA) システムは、有害な毒素とその拮抗性の抗毒素をコードする小さな遺伝子モジュールで構成されます。 それらは細菌および古細菌のゲノム全体、および移動性の遺伝要素に広く分布しており、一般にストレス誘発性です1、2、3、4、5。 TA システムは、ファージ感染に対する防御、ゲノム領域の維持に役割を果たし、場合によっては、細菌の毒性や抗生物質の持続性に寄与します 4、6、7、8、9。 緩やかな増殖条件下では、毒素の活性はその同族の抗毒素によってブロックされ、細菌の増殖は影響を受けないことが示されています。 しかし、ファージ感染やプラスミドの喪失などの特定の条件下では、毒素と抗毒素のバランスが調節不能になります。 その結果、遊離毒素は翻訳、複製、代謝、細胞エンベロープなどの必須の細胞プロセスや構造を標的にし、成長阻害や細胞死を引き起こします2,10。

ヒト結核の原因菌である結核菌は、86 を超える驚くべき量の TA システムをコードするゲノムを持っています 11,12。 この一連の TA システムには、よく保存された TA ファミリーの複数の例が含まれており、これらは一般に、低酸素症、マクロファージの貪食、または抗生物質への曝露などの関連するストレス条件下で誘導されることが示されています 13,14。 推定上の結核菌毒素の多くは、結核菌、スメグマ菌および/または大腸菌で発現すると有毒であることが示されていますが、その有害な影響は、対応する抗毒素の共発現によって効率的に阻害されます13,15。 したがって、活性化毒素は特定の条件下で結核菌の増殖を調節し、それによってヒト宿主における生存に寄与する可能性があると提案されている11、15、16。 しかし、宿主感染に寄与することが試験され示された少数の TA システムを除いて、その細胞機能はほとんど不明のままです。 さらに、これらの毒素の一部は非常に有毒な性質を持っているため、その抗菌機構を新しい薬剤標的の同定に使用できるか、あるいは細胞内抗菌剤として直接適用できる可能性があることが示唆されています 20、21、22、23、24。

結核菌の TA システムの MenAT ファミリーのメンバーは、保存されたヌクレオチジルトランスフェラーゼ (NTase) 様タンパク質ドメイン (DUF1814) を持つ毒素と、異なるタンパク質ファミリーに属する可能性がある同族の抗毒素をコードします 25,26。 結核菌の MenAT ファミリー メンバーのうち、MenT1 (Rv0078A)、MenT3 (Rv1045)、および MenT4 (Rv2826c) は過剰発現すると M. smegmatis の増殖を阻害することが示されましたが、MenT2 (Rv0836c) は検出可能な効果を示さなかった 25。 MenT 毒素は、4 つの保存された特徴的なモチーフを含む Streptococcus agalactiae の不育症感染タンパク質 (AbiEii) ファミリーに属しています 26。 N 末端モチーフ I および II は DNA ポリメラーゼ β に見られ、ヌクレオチドの結合と転移のために金属イオンを配位すると考えられています。 C 末端モチーフ III は、未成熟 tRNA に 3' CCA モチーフを付加する tRNA NTase のモチーフと類似しており、基質との塩基スタッキングに重要である可能性があります。 C 末端モチーフ IV は DUF1814 タンパク質に特有であり、モチーフ III と触媒部位を形成すると提案されています 26,27。 現在までのところ、MenT3 毒素はこのファミリーの中で最もよく特徴付けられているメンバーです。 MenT3 (TglT とも呼ばれる) は、ピリミジンを tRNA アクセプターステム (in vitro では Ser-tRNA に優先的に) の 3' CCA 末端に転移させることによって翻訳を阻害し、さらなるアミノアシル化を防ぐことが示されました 25。 注目すべきことに、そのような活性は、Ser78触媒部位残基でMenT3をリン酸化する特異的キナーゼとして作用するMenA3抗毒素によって中和されることが示唆された27。 この提案された阻害様式により、MenAT3 は VII 型 TA システムとして分類されました 3,28。 MenT3 と MenT4 の X 線構造は、両方とも単量体で二葉の球状タンパク質であり、全体の折り畳み、特に推定上の活性部位が類似していることを示しています 25。 さらに、抗毒素MenA4および類似相同体AbiEiの構造は、毒素の中和に関与するC末端キナーゼドメインに短いリンカーによって接続されたN末端ウイングヘリックス-ターン-ヘリックスDNA結合ドメインの存在を明らかにしている29,30,31。 in vivo では、menAT2 はニトロソ化ストレスに曝露されると誘導され、モルモットにおける結核菌の発病に必要であることが示されました 32。 対照的に、MenAT1 については事実上何も知られていません。 MenAT1 システムは、予想される NTase 様毒素タンパク質 MenT1 (MenT3 と 15% のアミノ酸同一性を共有) と、MenA1 と名付けられた 68 アミノ酸の非常に短い推定上の抗毒素をコードします。これは当初、推定上の SymE 様 I 型毒素として同定され、予測されていました。障害があり、DNA 結合ドメインが欠如している12。 以前の研究では、MenT1 が M. smegmatis で発現すると毒性があり、その毒性が共過剰発現された MenA125 によって効率的に阻害されることが示されました。 興味深いことに、MenT1 の過剰発現は大腸菌では検出可能な毒性を示さなかったが、これは MenT3 や AbiEii25,33 とは顕著な対照をなしている。