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キューオシン:タンパク質合成の重要なプレーヤー

キウソシンは細菌や寄生虫のタンパク質合成に影響を与え、適応戦略を明らかにする。

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キウソシンの病原体生存におキウソシンの病原体生存における役割ンの重要性を調べる。バイ菌のタンパク質合成におけるキューオシ
目次

転移RNA(tRNA)は、タンパク質を作る過程で超重要な役割を果たしてるんだ。特定のアミノ酸をリボソームに運んで、実際のタンパク質に遺伝子コードを翻訳するのを助けてる。tRNAの重要な部分の一つは、その構造に起こる修飾なんだよ。この修飾があることで、tRNAが遺伝子コードをどれだけ効果的かつ正確にタンパク質に翻訳するかを微調整できるんだ。一部の修飾はtRNAを安定化させて、仕事をもっと信頼できるものにすることもある。

ケウシンの重要性

その中で特定の修飾がケウシン(Q)って呼ばれるもので、これは特定のタイプのtRNAに起こって、タンパク質の作成の質やそのプロセスの精度に影響を与えるんだ。多くの生き物、細菌や真核生物の両方にはQ修飾を持つtRNAがある。でも、その役割は長い間不明だった。最近の研究で、特に病気を引き起こす細菌の中ではQが重要であることがわかってきたんだ。

ケウシンは、GUNアンチコドンを持つtRNAの塩基の一つを置き換えるんだ。生物の種類によって、Qはタンパク質の作成プロセスを改善したり、翻訳の精度を高めたりすることがある。一部の細菌ではQとストレス条件下での生存能力や宿主に病気を引き起こす能力に直接的な関係がある。

ケウシンの作り方

Qを作るプロセスは何段階かあるんだ。例えば大腸菌みたいな細菌では、GTPから酵素反応の一連を介して合成されるんだ。4つの主な酵素が一緒に働いて、GTPを7-シアノ-7-デアザグアニン(preQ0)って呼ばれる化合物に変える。それから別の形、7-アミノメチル-7-デアザグアニン(preQ1)に変わって、tRNAに組み込まれる。

細菌はケウシンを回収またはリサイクルすることもできる。真核細胞は主に回収ルートを使ってQを得るんだ。細菌がQ前駆体をリサイクルするためのメカニズムは、種によってかなり異なることがある。一部の細菌は前駆体を合成する代わりに取り込むことができて、Qの生産を完了できる。

寄生虫におけるケウシンの役割

宿主の間で切り替えを行う複雑なライフサイクルを持つ真核生物の寄生虫は、発達段階に応じてQ修飾tRNAの量に変化を示すんだ。驚くべきことに、さまざまな宿主を切り替える細菌におけるQについてはあまり知られていない。一例としてBartonella henselaeがあって、これはノミとおそらくダニを媒介に使うんだ。これらの細菌は、ノミの糞が傷口に入ることで猫に感染することがある。

猫の体内で、B. henselaeは血管細胞の中で増殖する。細菌は高い遺伝的多様性を示していて、異なる株に分類できる。これらの細菌におけるQ合成の遺伝的再構成は、他の病原体と似た経路をたどるかもしれないことを示唆してる。しかし、Q合成に関わる特定の遺伝子を調べたら、矛盾が見つかった。

細菌におけるQ合成経路

研究によれば、Q合成に関わるタンパク質は種ごとに異なる特異性を持つことがあるんだ。Q合成に責任があるタンパク質の配列類似性のネットワークを作成することで、科学者たちは機能や異なるQ合成経路の存在に基づいてクラスターを特定することができた。

さらに分析すると、B. henselaeのような特定の細菌においてQ合成に必要な遺伝子が存在しないことがわかった。これが、これらの細菌がどのようにしてQを回収または利用できるのかに疑問を投げかけてる。

Bartonella henselaeの研究

B. henselaeに焦点を当てた研究で、科学者たちはこれらの細菌がどのようにQとその前駆体を回収するかを調べた。Q合成経路が欠けているE. coli株にB. henselaeのbTGT遺伝子を導入したら、これらの細菌は特定の条件下でQを取り込むことができたんだ。これにより、B. henselaeは完全な合成経路を失ってもQ前駆体を利用する能力があることが示された。

Qを回収するためのタンパク質は、preQ1など特定の基質に対して好みを示すことがある。この研究は、B. henselaeの酵素は高濃度のときにケウシンを回収できるが、同じ基質を利用する他の病原体に比べると効率は良くないことも示している。

BartonellaにおけるPreQ1の発見

さらに研究を進めると、B. henselaeのtRNAにpreQ1の痕跡が見つかった。これにより、これらの細菌は環境から前駆体を回収するQ経路が機能している可能性が示唆された。観察されたpreQ1の低レベルは、この修飾が特定の条件下でのタンパク質合成の正確性に大きな影響を与えないかもしれないことを示している。

研究者たちは、B. henselaeにおけるpreQ1の存在が他の生物との汚染、成長媒体における未知の供給源、あるいは特定の環境でpreQ1を再生する未発見の酵素の活動によるものである可能性を検討した。

Q経路の進化と喪失

細菌におけるQ合成経路の進化の歴史を見ると、特に細胞内病原体の特定のグループがQ合成に関与する重要な遺伝子を失っていることがわかる。B. henselaeにつながる系統では、これらの遺伝子が進化の早い段階で失われて、現在の回収メカニズムへの依存が生じたみたい。

異なる細菌間でのQ経路遺伝子の分布に関する研究では、多くの細菌がQを合成し回収する能力を保持している一方で、特定のニッチに適応したものはこの能力を失っていることが明らかになった。特に寄生的または宿主生物に依存する細菌は、時間とともに遺伝子材料を合理化する際にこれらの経路を失うことが多い。

細胞内病原体におけるケウシン

細胞内病原体は、栄養が豊富な環境に適応するため、自由生活する祖先に比べて遺伝子的経路が減少する傾向がある。これらの病原体におけるQ代謝の進化の可能な経路は、祖先の合成経路を維持する、完全に失う、または回収したケウシンに依存する方向にシフトするなど、いろいろな形を取ることができる。

異なる細胞内病原体は、Q代謝に関してさまざまな戦略を示す。例えば、いくつかは完全なQ合成経路を維持している一方で、AnaplasmaChlamydiaのようなものは、経路の一部だけを保っている。これらの戦略の多様性は、異なる細菌がそのライフスタイルや環境にどのように適応したかを示している。

結論

全体的に見て、細菌、特に細胞内病原体におけるケウシン代謝の研究は、遺伝子的適応と環境との相互作用の間の複雑な関係を明らかにしている。B. henselaeにおけるケウシン回収の独特な特徴は、特に異なる宿主環境を考慮する際に、微生物のライフサイクルにおけるその役割について重要な疑問を投げかけている。さらなる研究が、Q代謝のダイナミクスや細菌病原体の病原性に対する影響を探求する必要がある。これらのメカニズムを理解することで、細菌がどのように宿主内で繁栄し適応するか、最終的には病気のダイナミクスや治療戦略に影響を与えるかについての洞察を提供できるかもしれない。

オリジナルソース

タイトル: Queuosine Salvage in Bartonella henselae Houston 1: A Unique Evolutionary Path

概要: Queuosine (Q) stands out as the sole tRNA modification that can be synthesized via salvage pathways. Comparative genomic analyses identified specific bacteria that showed a discrepancy between the projected Q salvage route and the predicted substrate specificities of the two identified salvage proteins: 1) the distinctive enzyme tRNA guanine-34 transglycosylase (bacterial TGT, or bTGT), responsible for inserting precursor bases into target tRNAs; and 2) Queuosine Precursor Transporter (QPTR), a transporter protein that imports Q precursors. Organisms like the facultative intracellular pathogen Bartonella henselae, which possess only bTGT and QPTR but lack predicted enzymes for converting preQ1 to Q, would be expected to salvage the queuine (q) base, mirroring the scenario for the obligate intracellular pathogen Chlamydia trachomatis. However, sequence analyses indicate that the substrate-specificity residues of their bTGTs resemble those of enzymes inserting preQ1 rather than q. Intriguingly, mass spectrometry analyses of tRNA modification profiles in B. henselae reveal trace amounts of preQ1, previously not observed in a natural context. Complementation analysis demonstrates that B. henselae bTGT and QPTR not only utilize preQ1, akin to their Escherichia coli counterparts, but can also process q when provided at elevated concentrations. The experimental and phylogenomic analyses suggest that the Q pathway in B. henselae could represent an evolutionary transition among intracellular pathogens--from ancestors that synthesized Q de novo to a state prioritizing the salvage of q. Another possibility that will require further investigations is that the insertion of preQ1 has fitness advantages when B. henselae is growing outside a mammalian host. Author summaryTransfer RNAs (tRNAs) are adaptors that deliver amino acids to ribosomes during translation of messenger RNAs (mRNAs) into proteins. tRNA molecules contain specially-modified nucleotides that affect many aspects of translation, including regulation of translational efficiency, as modified nucleotides primarily occur near the portion of tRNA (anticodon) that directly interacts with the coding sequence (codon) of the mRNA while it is associated with a ribosome. Queuosine (Q) is a modified tRNA nucleotide located in the anticodon that can be synthesized or uniquely imported from the environment as Q or a precursor using a salvage mechanism. Free-living bacteria, e.g., E. coli, can synthesize Q or salvage precursors from the environment, but many obligate intracellular pathogens, e.g., Chlamydia trachomatis, cannot synthesize Q and must import a precursor from eukaryotic hosts. In this study, we determined that Bartonella henselae, a facultative intracellular bacterial pathogen of vascular cells, falls somewhere in the middle, as it is unable to synthesize Q but can salvage Q or certain precursors. The unusual nature of Bartonellas system suggests different evolutionary scenarios. It could be a snapshot of the transition from Q synthesis to strict Q salvage or represent a unique adaptation to a complex multi-host lifestyle.

著者: Valerie de Crécy-Lagard, S. Quaiyum, Y. Yuan, G. Sun, M. Ratnayake, G. Hutinet, P. C. Dedon, M. F. Minnick, V. de Crecy-Lagard

最終更新: 2024-04-16 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.12.05.570228

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.12.05.570228.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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