[論文レビュー] Coordinated Slowing of Metabolism in Enteric Bacteria under Nitrogen Limitation: A Perspective

Ned S. Wingreen, Sydney Kustu|ArXiv.org|Oct 12, 2001

Amino Acid Enzymes and Metabolism参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、窒素制限下における腸管細菌においてグルタミンプールが全身代謝調節因子として機能し、バイオセンセスの同期的低下を調整すると提案している。グルタミンはマクロマolecule合成の最初のコミットメントステップ（タンパク質、核酸、表面ポリマー）に不可欠な役割を果たすため、その枯渇は直接的にバイオセンセスフラックスを制限するが、グルタメートの後続の役割は可逆的トランスアミナーゼ反応に依存しており、より柔軟な調節が可能である。

ABSTRACT

It is natural to ask how bacteria coordinate metabolism when depletion of an essential nutrient limits their growth, and they must slow their entire rate of biosynthesis. A major nutrient with a fluctuating abundance is nitrogen. The growth rate of enteric bacteria under nitrogen-limiting conditions is known to correlate with the internal concentration of free glutamine, the glutamine pool. Here we compare the patterns of utilization of L-glutamine and L-glutamate, the two central intermediates of nitrogen metabolism. Monomeric precursors of all of the cell's macromolecules -- proteins, nucleic acids, and surface polymers -- require the amide group of glutamine at the first dedicated step of biosynthesis. This is the case even though only a minority (~12%) of total cell nitrogen derives from glutamine. In contrast, the amino group of glutamate, which provides the remainder of cell nitrogen, is generally required late in biosynthetic pathways, e.g. in transaminase reactions for amino acid synthesis. We propose that the pattern of glutamine dependence coordinates the decrease in biosynthesis under conditions of nitrogen limitation. Hence, the glutamine pool plays a global regulatory role in the cell.

研究の動機と目的

• 栄養供給が不安定である中で腸管細菌がどのように窒素制限下でも代謝を調整するかを理解すること。
• グルタミンが細胞内窒素の約12％しか占めないにもかかわらず、成長速度がグルタミンプールに相関するのではなくグルタメートに相関する理由を調査すること。
• グルタミンとグルタメートの代謝的役割が、バイオセンセスを全身的に調節する能力においてどのように異なるかを特定すること。
• グルタミン枯渇が、マクロマolecule合成の同期的低下を引き起こすためのシステム的シグナルとしてどのように機能するかを検討すること。
• グルタミンの調節的役割が、窒素ストレス下で無駄な酵素合成サイクルを防ぐ仕組みであるかどうかを評価すること。

提案手法

• EcoCycおよびKEGGのキュレート済みデータベースと、酵素キネティクスに関する文献を用いて、E. coliおよびS. typhimuriumの代謝経路を比較する。
• グルタミンおよびグルタメートに依存する酵素のK_m値を分析し、生体内における調節可能性を推論する。
• 経路構造を検討し、グルタミンがバイオセンセス系列の初期（コミットメントステップ）で使われるか、それとも後期で使われるかを特定する。
• グルタミンを消費するATP依存の不可逆反応と、グルタメートを消費する可逆的トランスアミナーゼ反応を比較評価する。
• プールサイズの測定値（例：窒素制限下でグルタミンが3–4 mMから<0.3 mMに低下）をK_m値と照合し、酵素の飽和状態を推論する。
• 既知の転写応答（例：窒素ストレス下でのトリプトファン・ヒスチジンオペロンのマイクロアレイデータ）から、調節論理を推論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ窒素制限下において細菌の成長速度がグルタミンプールに相関するのか、グルタメートに相関しないのか？
• RQ2 グルタミンおよびグルタメートに依存する反応がバイオセンセス経路内で果たす位置が、それらの調節可能性にどのように影響するか？
• RQ3 グルタミンが最初のコミットメントステップの基質としての代謝的役割が、その全身的調節機能を説明できるか？
• RQ4 グルタミン依存の生成物プールが窒素ストレス下で枯渇しているとき、なぜバイオセンセス酵素の無駄な上昇調節が防がれるのか？
• RQ5 グルタミンに対してK_mが1.6 mMであるアミノデオキシコリスメートシンアーゼの高K_m特性が、グルタミン枯渇に伴うフォルエート合成フラックスの低下と、1炭素代謝を介した翻訳開始に与える影響は何か？

主な発見

• グルタミンはアミノ酸、プリン、ピリミジン、UDP-GlcNAcの合成において最初のコミットメントステップに必要不可欠であり、これらはタンパク質、核酸、細胞表面ポリマーのもとになる。
• 窒素制限下ではグルタミンプールが約3–4 mMから<0.3 mMに低下し、ほとんどのグルタミンを消費する酵素のK_m値（0.2–1.7 mM）を下回る。
• これに対してグルタメートプールは高いまま維持され、その利用は主に可逆的トランスアミナーゼ反応に依存しており、全身的調整にはあまり効果的でない。
• グルタミン依存の反応はATP加水分解を伴い、本質的に不可逆的であるため、バイオセンセス経路の出発点でのフラックス制御に最適である。
• マイクロアレイデータから、窒素制限下ではトリプトファンおよびヒスチジンのバイオセンセスオペロンのわずかな再圧下が観察され、生成物プールが低くても無駄な酵素合成を防いでいる。
• アミノデオキシコリスメートシンアーゼのグルタミンに対する高いK_m（1.6 mM）は、グルタミン枯渇に伴いフォルエート合成フラックスが強く低下し、1炭素代謝を介して翻訳開始に影響を及ぼす可能性があることを示唆している。