Sep 29, 2023
AMP에 의해 매개되는 신속한 대사 재프로그래밍
Nature Communications 14권, 기사 번호: 422(2023) 이 기사 인용 2062 액세스 17 Altmetric Metrics 세부 정보 유비쿼터스 병원체 Toxoplasma gondii는 다음과 같은 복잡한 생활 방식을 가지고 있습니다.
Nature Communications 14권, 기사 번호: 422(2023) 이 기사 인용
2062 액세스
17 알트메트릭
측정항목 세부정보
유비쿼터스 병원체 Toxoplasma gondii는 기생충 환경과 밀접하게 연결된 여러 단계에서 다양한 대사 활동을 하는 복잡한 생활 방식을 가지고 있습니다. 여기에서 우리는 Toxoplasma에서 세포 항상성 AMP 활성화 단백질 키나아제(AMPK)의 진핵생물 조절자를 확인하고 기생충의 용해 주기 동안 대사 프로그래밍에서 그 역할을 발견했습니다. 촉매 소단위 AMPKα는 세포내 기생충이 세포외 환경으로 방출된 후 빠르게 인산화되어 에너지 생성 이화작용을 촉진하여 기생충 운동성과 숙주 세포로의 침입을 강화합니다. 일단 숙주 세포 내부로 들어가면 AMPKα 인산화가 기초 수준으로 감소되어 에너지 생산과 바이오매스 합성 사이의 균형을 촉진하여 강력한 기생충 복제를 가능하게 합니다. AMPKγ 고갈은 AMPKα 인산화를 폐지하고 기생충 성장을 억제합니다. 이는 야생형 AMPKα를 과발현함으로써 부분적으로 구제될 수 있지만 인산화 돌연변이체는 그렇지 않습니다. 따라서 AMPK에 의한 주기적 재프로그래밍을 통해 각 단계에서 기생충의 대사 요구가 충족되고 용해 주기가 강력하게 진행됩니다.
환경 조건의 변화는 모든 살아있는 유기체가 처리해야 하는 과제입니다. 독특한 생활 방식으로 인해 기생 유기체는 환경 변화에 대응하고 적응하는 데 특히 능숙합니다. 세계 인구의 3분의 1과 수많은 동물을 감염시키는 도처에 존재하는 원생동물인 톡소플라즈마 곤디(Toxoplasma gondii)는 매우 다양한 숙주와 환경 조건에서 자라고 생존할 수 있습니다1,2. 이 기생충은 발병 및 전파의 핵심인 여러 단계를 번갈아가며 복잡한 생활사를 갖고 있습니다. 중간 숙주의 급성 감염 동안 기생충은 톡소플라스마증의 임상 증상을 담당하는 급격소체(tachyzoites)로 빠르게 증식합니다3. Tachyzoites는 숙주 세포에 적극적으로 침입하여 복제한 다음 기생충 수가 일정량에 도달하면 용해하여 새로운 침입을 시작합니다. 최적의 조건에서 기생충은 연속적으로 tachyzoites로 성장하고 용해 주기를 반복합니다. 그러나 스트레스나 기아 상태에서 타키조이트는 조직 낭종에 둘러싸여 숙주에서 평생 만성 감염을 유지하는 브라디조이트라는 덜 활동적인 형태로 전환될 수 있습니다1,2,4.
톡소플라스마 기생충은 여러 단계에서 다양한 대사 활동을 합니다. 대부분의 해당효소는 두 개의 이소형을 가지고 있으며, 그 중 다수는 단계별 발현5,6을 나타내며, 이는 여러 단계에서 해당작용 활성에 대한 뚜렷한 요구 사항을 나타냅니다. 마찬가지로 bradyzoites와 oocysts는 tachyzoites7,8,9에서는 거의 볼 수 없는 많은 양의 아밀로펙틴을 축적합니다. 이러한 단계별 대사에 대한 생리학적 중요성과 기본 조절 메커니즘은 거의 알려져 있지 않습니다. 타키조이트의 용해 주기는 두 단계, 즉 갓 빠져나온 기생충이 활공 운동성을 사용하여 숙주 세포를 찾아 침입하는 짧은 세포외 단계와 침입한 기생충이 숙주 세포 내에서 증식하는 세포내 단계를 포함합니다. 대사적 관점에서 볼 때, 세포외 타키조이트의 주요 목표는 빠르고 효율적으로 침입할 수 있는 충분한 에너지를 생성하는 반면, 세포내 기생충은 스스로 복제하기 위해 균형 잡힌 에너지 생산과 거대분자 합성이 필요합니다. 해당효소인 과당-비스인산염 알돌라제는 기생충이 숙주 세포에서 방출되자 마자 세포질에서 기생충 주변으로 재배치되는 것으로 관찰되었습니다10. 기생충 운동성을 유발하는 모터 복합체가 기생충의 막 아래에 있기 때문에 해당 효소의 재배치(re-localization)는 필요한 곳에서 신속하게 에너지를 생성하는 방법으로 생각되었습니다11. 또한, 포도당 유래 탄소의 흐름을 모니터링하기 위해 13C로 표지된 포도당으로 타키조이트를 처리하면 13C가 세포내 기생충의 지방산과 같은 거대분자에 효율적으로 통합될 수 있지만 세포외 기생충에서는 이러한 분자에 거의 통합되지 않는 것으로 나타났습니다. 이러한 관찰은 비록 세포외 단계가 몇 초에서 몇 분까지 매우 짧지만 그 대사는 세포내 기생충의 대사와 근본적으로 다르다는 것을 시사합니다. 이러한 단기 대사 전환이 어떻게 조절되고 달성되는지는 완전히 알려져 있지 않습니다.
1.5 fold (p < 0.05), 24 of which were decreased and 23 were increased after AMPKγ depletion (Fig. S10, Supplementary data 3). On the other hand, the abundance of 325 phospho-peptides had an abundance change over 1.5 fold after AMPKγ depletion. After adjustments with the protein level changes (to rule out the change of phospho-peptides abundance was caused by changes in protein level), the abundance of 285 phospho-peptides corresponding to 170 proteins was changed >1.5 fold (p < 0.05) upon AMPKγ depletion (Supplementary data 4). More than 40% (74/170 = 43.5%) of these proteins are hypothetical proteins with unknown functions. Besides those, a large number of proteins with metabolic roles, including enzymes, transporters and regulators, were differentially phosphorylated in the AMPKγ+ versus AMPKγ- parasites. Notably, the glycolytic enzymes pyruvate kinase 1 (PYK1) and fructose-1,6-bisphosphate aldolase (ALD), as well as the major glucose importer glucose transporter 1 (GT1) all contained two or more phospho-peptides that had abundance difference between AMPKγ expressing and depleted parasites (Fig. 7a). Other proteins involved in sugar breakdown or energy metabolism, including 6-phosphogluconate dehydrogenase (6PGD), acetyl-coenzyme A synthetase (ACS) and pyruvate dehydrogenase kinase also showed changes in phosphorylation at specific serine residues upon AMPKγ degradation (Fig. 7a, Supplementary data 4). Similarly, a number of proteins and enzymes involved in anabolism such as lipid and protein synthesis also displayed phosphorylation changes after AMPKγ depletion (Fig. 7b, Supplementary data 4). Particularly, the phosphorylation of three eukaryotic initiation factors (eIF2B, eIF4A and eIF4G) that control the initiation of protein translation was reduced upon AMPKγ degradation (Fig. 7b), which is consistent with the impaired nascent protein synthesis of AMPKγ depleted parasites (Fig. 5d)./p> 1.5) changed after TgAMPKγ depletion. These include many metabolic enzymes and regulators, such as pyruvate kinase 1, fructose-1,6-bisphosphate aldolase, glucose transporter GT1 and pyruvate dehydrogenase kinase that are involved in sugar breakdown and ATP production45,46,47, as well as a number of eukaryotic initiation factors and CDP-alcohol phosphatidyltransferase that are involved in the synthesis of proteins and phospholipids. Many of these proteins were also identified in the co-IP experiments as potential interaction proteins with AMPK. These proteins are possible targets of AMPK in Toxoplasma. Further studies are needed to dissect how exactly they are regulated by AMPK and the physiological significance of such regulation. On the other hand, when some of the differentially phosphorylated proteins listed in Fig. 7 (such as GT1, ALD, PYK1 and ACS) were analyzed in detail to see whether the residues potentially phosphorylated by TgAMPK were conserved among other organisms. Interestingly, while orthologs of these proteins are present in model eukaryotes from yeasts to fruit flies and humans, the phosphorylated residues within them are either not conserved or do not have evidence of AMPK-dependent phosphorylation. These results suggest that either the proteins analyzed are not direct substrates of TgAMPKα, but other kinases whose activities are influenced by TgAMPKα, or the detailed mechanisms by which Toxoplasma AMPK regulates parasite metabolism are different from that of other eukaryotes./p> 10,000 parasites being analyzed for each sample. Each strain and condition were tested three times independently./p> 0.05), phosphorylation sites with log2 (phospho fold-change) ≥ 0.58 and p-value ≤ 0.05 were considered as differentially phosphorylated./p>
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