RNA修飾酵素は、Enterococcus faecalisの翻訳制御のために活性酸素種を直接感知する

Nature Communications volume 14、記事番号: 4093 (2023) この記事を引用

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細菌は、哺乳類の免疫系や環境ストレスへの曝露から生じる活性酸素および窒素種 (ROS) を管理する精巧なシステムを備えています。 今回我々は、腸内共生性日和見病原体エンテロコッカス・フェカリスにおけるストレス応答タンパク質の翻訳を調節する、ROS感知RNA修飾酵素の発見を報告する。 私たちは、活性酸素種 (ROS) または致死量未満の ROS 誘導性抗生物質に応答した E. faecalis の tRNA エピトランスクリプトームを解析し、23 S リボソーム RNA とトランスファー RNA の両方で N2-メチルアデノシン (m2A) が大幅に減少していることを確認しました。 これは、ROS を介した Fe-S クラスター含有メチルトランスフェラーゼ RlmN の不活性化によるものであると我々は判断しました。 RlmN の遺伝子ノックアウトにより、酸化ストレス応答を模倣するプロテオームが生じ、スーパーオキシドジスムターゼのレベルが上昇し、病原性タンパク質が減少します。 tRNA 修飾は翻訳の微調整のために動的であることが確立されていますが、今回我々は、動的に調節される環境応答性の rRNA 修飾の発見を報告します。 これらの研究は、RlmNが酸化還元感受性分子スイッチとして機能し、酸化ストレスをrRNAおよびtRNAエピトランスクリプトームを介して翻訳調節に直接中継するモデルにつながり、RNA修飾がプロテオームを直接制御できるという異なるパラダイムを追加する。

スーパーオキシド (O2-) や過酸化水素 (H2O2) などの活性酸素種 (ROS) は、細菌の進化の形成において基本的な役割を果たしています1。 細菌は、好気呼吸の副産物として内因的に、酸化還元活性の天然産物や活性化された哺乳類免疫細胞の呼吸/酸化バーストから外因的に、さまざまな原因から ROS に曝露されます2。 中和されていない場合、ROS は DNA、脂質、炭水化物、タンパク質などの必須細胞成分に損傷を与えます 1。 したがって、細菌はスーパーオキシドジスムターゼ (SOD)、カタラーゼ、グルタチオン、チオレドキシン系、ペルオキシダーゼ、硝酸/亜硝酸レダクターゼなどの ROS 防御システムを進化させてきました 3。 これらの防御は、OxyR、PerR、OhrR、SoxR4、5、6 などの ROS 感知転写因子によって転写的に調節されることがよくあります。

最近の証拠は、細菌のストレス応答システムの翻訳制御のメカニズムを指摘しています。 例えば、マイコバクテリアの低酸素ストレス応答には、tRNA 上の数十の修飾リボヌクレオシドの再プログラミング (tRNA エピトランスクリプトーム) が関与し、DosR 転写因子やそのレギュロンなどの低酸素応答遺伝子からコドンに偏った mRNA の選択的翻訳が引き起こされます 7。 他の形態の RNA に対する修飾も、RNA の安定性、構造、局在化、およびタンパク質と RNA の相互作用を変化させることにより、さまざまな細胞プロセスに関与します8。

今回我々は、腸内共生性日和見病原体エンテロコッカス・フェカリスにおけるストレス応答タンパク質の翻訳を調節する、ROS感知RNA修飾酵素の発見を報告する。 スーパーオキシド発生剤であるメナジオン、または亜致死量の ROS 誘導性エリスロマイシンとクロラムフェニコールへの曝露後、エピトランスクリプトームの 24 個の修飾リボヌクレオシドを分析したところ、23 S リボソーム RNA とトランスファー RNA の両方で N2-メチルアデノシン (m2A) が大幅に減少していることが明らかになりました。 Fe-S クラスター含有メチルトランスフェラーゼ RlmN の ROS 媒介不活性化。 RlmNの喪失は、スーパーオキシドジスムターゼの増加や病原性タンパク質の減少など、メナジオン曝露を模倣した方法でタンパク質発現を変化させた。 これらの研究は、RlmNが、環境および抗生物質誘発性のROS曝露をリボソームおよびトランスファーRNAのエピトランスクリプトームダイナミクスに結び付け、ストレス応答タンパク質の翻訳に影響を与える酸化還元感受性分子スイッチとして機能することを示唆している。

ストレスに応答した転写制御は細菌において十分に確立されているが、翻訳制御についてはあまりよく理解されていない。 マイコバクテリアにおける低酸素誘発エピトランスクリプトーム再プログラミングとコドン偏った翻訳の実証により、同様のメカニズムが抗生物質曝露のストレスに対するエンテロコッカス・フェカリスの反応にも当てはまるのではないかという仮説が立てられました。 今回我々は、ヒト共生経口分離株OG19由来の株であるOG1RFと、多剤耐性の臨床分離株であるV58310という2つのE.フェカリス株におけるrRNAとtRNAの24個の修飾を定量した。 V583 は、23 S rRNA の 2058 位（大腸菌番号付け）11 のアデノシンの N6 位（m6A、m6,6A）をメチル化し、マクロライド（エリスロマイシンなど）、リンコサミド、エリスロマイシンに対する耐性は部分的にしか付与されません12。 OG1RF には ErmB が欠如しているため、エリスロマイシンに対する感受性が V583 よりも約 100 倍高くなります。