MenT 뉴클레오티딜트랜스퍼라제 독소는 tRNA 수용체 줄기를 확장하고 비대칭 항독소 결합에 의해 억제될 수 있습니다.

Nature Communications 14권, 기사 번호: 4644(2023) 이 기사 인용

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인간 결핵을 담당하는 박테리아인 결핵균(Mycobacterium tuberculosis)은 기능이 거의 알려지지 않은 매우 많은 수의 독소-항독소 시스템을 암호화하는 게놈을 가지고 있습니다. 우리는 최근 M. tuberculosis 게놈이 널리 퍼진 MenAT 계열의 뉴클레오티딜트랜스퍼라제 독소-항독소 시스템 중 4개를 암호화한다는 것을 보여주었습니다. 이 연구에서 우리는 MenT1 tRNA 변형 활성을 입증하기 위해 tRNA 시퀀싱을 사용하여 MenAT1을 특성화합니다. MenT1 활동은 MenA3 키나제와 관련이 없는 짧은 단백질 항독소인 MenA1에 의해 차단됩니다. X-선 결정학 분석은 두 개의 MenT1 프로토머에 걸친 MenA1의 비대칭 결합에 의해 보존된 MenT 접힘이 차단되어 이종삼량체 독소-항독소 복합체를 형성하는 것을 보여줍니다. 마지막으로, 우리는 MenT 계열 전반에 걸쳐 보존된 활동을 나타내는 독소 MenT4에 의한 tRNA 변형을 보여줍니다. 우리의 연구는 MenT 독소에 의한 tRNA 표적 선호도의 변화, 뉴클레오티드 기질의 선택적 사용 및 MenA 항독소 활성의 다양한 모드를 강조합니다.

독소-항독소(TA) 시스템은 유해 독소와 그 길항 항독소를 암호화하는 작은 유전 모듈로 구성됩니다. 이는 박테리아 및 고세균 게놈 전체와 이동성 유전 요소에 널리 퍼져 있으며 일반적으로 스트레스를 유발합니다1,2,3,4,5. TA 시스템은 파지 감염을 방어하고 게놈 영역을 유지하는 역할을 하며 경우에 따라 박테리아 독성 및 항생제 지속성에 기여합니다4,6,7,8,9. 관대한 성장 조건에서 독소 활성은 동족 항독소에 의해 차단되고 박테리아 성장은 영향을 받지 않는 것으로 나타났습니다. 그러나 파지 감염이나 플라스미드 손실과 같은 특정 조건에서는 독소와 항독소의 균형이 제대로 조절되지 않습니다. 결과적으로 유리 독소는 번역, 복제, 대사 또는 세포 외피를 포함한 필수 세포 과정 또는 구조를 표적으로 삼아 성장 억제 또는 세포 사멸을 유발합니다2,10.

인간 결핵을 담당하는 박테리아인 결핵균(Mycobacterium tuberculosis)은 86개 이상의 TA 시스템을 엄청나게 풍부하게 인코딩하는 게놈을 가지고 있습니다. 이 TA 시스템 제품군에는 일반적으로 저산소증, 대식세포 삼킴 또는 항생제 노출을 포함한 관련 스트레스 조건 하에서 유도되는 것으로 밝혀진 잘 보존된 TA 계열의 여러 예가 포함되어 있습니다. 추정되는 M. tuberculosis 독소 중 다수는 M. tuberculosis, M. smegmatis 및/또는 E. coli에서 발현될 때 독성이 있는 것으로 나타났으며, 이들의 해로운 효과는 해당 항독소13,15의 공동 발현에 의해 효율적으로 억제되었습니다. 따라서 활성화된 독소는 특정 조건에서 M. tuberculosis의 성장을 조절하여 인간 숙주의 생존에 기여할 수 있다고 제안되었습니다. 그러나 테스트를 거쳐 숙주 감염에 기여하는 것으로 나타난 소수의 TA 시스템을 제외하고는 세포 기능이 거의 알려지지 않았습니다. 또한, 이러한 독소 중 일부의 독성이 매우 높기 때문에 항균 메커니즘을 사용하여 새로운 약물 표적을 식별하거나 세포 내 항균제로 직접 적용할 수 있음을 시사합니다20,21,22,23,24.

M. tuberculosis의 MenAT 계열 TA 시스템 구성원은 보존된 뉴클레오티딜트랜스퍼라제(NTase) 유사 단백질 도메인(DUF1814)과 다른 단백질 계열에 속할 수 있는 동족 항독소가 있는 독소를 암호화합니다. M. tuberculosis의 MenAT 계열 구성원 중에서 MenT1(Rv0078A), MenT3(Rv1045) 및 MenT4(Rv2826c)는 과발현 시 M. smegmatis 성장을 억제하는 것으로 나타났으나 MenT2(Rv0836c)는 감지 가능한 효과를 나타내지 않았습니다. MenT 독소는 4개의 보존된 시그니처 모티프를 포함하는 Streptococcus agalactiae의 유산 감염 단백질(AbiEii) 계열에 속합니다26. N-말단 모티프 I 및 II는 DNA 중합효소 β에서 발견되며 뉴클레오티드 결합 및 전달을 위해 금속 이온을 조정하는 것으로 제안됩니다. C-말단 모티프 III은 미성숙 tRNA에 3' CCA 모티프를 추가하는 tRNA NTase의 모티프와 유사하며 기질과의 염기 스태킹에 중요할 수 있습니다. C-말단 모티프 IV는 DUF1814 단백질에 고유하며 모티프 III26,27을 사용하여 촉매 부위를 형성하는 것으로 제안되었습니다. 현재까지 MenT3 독소는 이 계열의 가장 특징적인 구성원입니다. MenT3(TglT라고도 함)은 피리미딘을 tRNA 수용체 줄기(우선적으로는 시험관 내에서 Ser-tRNA)의 3' CCA 말단으로 전달하여 번역을 억제하여 추가 아미노아실화를 방지하는 것으로 나타났습니다25. 놀랍게도, 이러한 활성은 Ser78 촉매 부위 잔기에서 MenT3를 인산화하는 특정 키나아제로 작용하는 MenA3 항독소에 의해 중화되는 것으로 제안되었습니다. 이 제안된 억제 방식은 MenAT3을 유형 VII TA 시스템3,28으로 분류하게 했습니다. MenT3와 MenT4의 X선 구조는 둘 다 단량체, 이중엽 구형 단백질이며 전체 접힘, 특히 추정 활성 부위가 유사하다는 것을 보여줍니다25. 또한, 항독소 MenA4 및 가까운 동족체 AbiEi의 구조는 독소 중화에 관여하는 C-말단 키나제 도메인에 짧은 링커로 연결된 N-말단 날개 나선-회전-나선 DNA 결합 도메인의 존재를 나타냅니다29,30,31. 생체 내에서 menAT2는 질산성 스트레스에 노출되면 유도되는 것으로 나타났으며 기니피그에서 M. tuberculosis 발병에 필요한 것으로 나타났습니다32. 대조적으로, MenAT1에 대해서는 사실상 알려진 바가 없습니다. MenAT1 시스템은 예상되는 NTase 유사 독소 단백질 MenT1(MenT3과 15% 아미노산 동일성 공유)을 MenA1이라는 매우 짧은 추정 항독소인 MenA1이라는 매우 짧은 추정 항독소와 함께 암호화합니다. 무질서하고 DNA 결합 도메인이 부족합니다. 이전 연구에서는 MenT1이 M. smegmatis에서 발현될 때 독성이 있으며 그 독성이 공동 과발현된 MenA125에 의해 효율적으로 억제된다는 것을 보여주었습니다. 흥미롭게도 MenT1의 과발현은 E. coli에서 검출 가능한 독성을 나타내지 않았으며 이는 MenT3 또는 AbiEii25,33과 뚜렷한 대조를 이룹니다.