인체 장내 유익균 Faecalibacterium prausnitzii의 당 수송 인산전달계 기능성 연구

Abstract

Faecalibacterium prausnitzii is a dominant member of healthy human colon microbiota, regarded as a beneficial gut bacterium due to its ability to produce anti-inflammatory substances. However, little is known about how F. prausnitzii utilizes the nutrients present in the human gut, influencing its prevalence in the host intestinal environment. The phosphoenolpyruvate (PEP): carbohydrate phosphotransferase system (PTS) is an efficient nutrient-uptake mechanism widely shared in the bacterial kingdom. In the PTS, the phosphate group donated from PEP is sequentially transferred from the general components, the enzyme I (EI) and HPr, further to the sugar-specific enzyme II (EII) complexes and finally to the incoming sugar. Besides the role in sugar translocation, the phosphorylation-dependent protein-protein interactions of the PTS proteins are known to regulate various cell physiologies critical to cell survival. Previously, 16 genes encoding putative PTS components (2 enzyme I, 2 HPr, and 12 enzyme II components) in F. prausnitzii A2-165 were identified. It was further revealed that among the two homologs, only one of the EI is functional. Likewise, only one of the HPr (HPr1) mainly participated in the PEP-dependent phosphotransfer whereas another HPr (HPr2) might play regulatory roles. Regarding the sugar-specific components, I developed an in vitro phosphotransferase assay to visualize the presence of PTS membrane compartments in the membranous proteins extracted from F. prausnitzii cultured on cognate PTS sugars. Hence, I could determine the functional pairs of the PTS components that participate in the transport of N-acetylglucosamine and fructose. Furthermore, the regulatory function of the PTS components was studied by investigating the newly identified interaction between HPr2 and galactose-1-phosphate uridylyltransferase, an enzyme required for galactose catabolism. Overall, I could uncover the involvement of the PTS components in F. prausnitzii in the uptake of carbohydrates commonly present in the human gut and suggest that the dissection of the functional PTS in F. prausnitzii may help to understand how this vulnerable species outcompetes other bacterial species in the human intestine.

피칼리박테리움 프로스니치는 건강한 성인 장내 미생물군 (microbiota) 중의 우점종으로, 항염증 물질을 생산할 수 있는 능력이 있어 유익균으로 여겨지고 있다. 그러나 피칼리박테리움 프로스니치가 장 내의 양분을 어떻게 섭취하여 장내에서 우세하게 생존할 수 있는지에 관한 연구는 전무한 상태이다. 당 수송 인산전달계 (phosphoenolpyruvate: carbohydrate phosphotransferase system, PTS)는 박테리아가 사용하는 효율적인 당 수송 시스템이다. PTS는 모든 당 수송방식에서 공통으로 사용되는 일반 PTS 단백질인 EI과 HPr, 그리고 당 특이적으로 사용되는 EII 단백질로 구성되어 있다. PEP로부터 유래된 인산기는 EI, HPr, 당 특이적인 EII 단백질들로 순차적으로 전달되고, 마지막으로 장내로 수송되는 당이 인산화된다. PTS는 당 수송뿐만 아니라, 인산화 상태에 따른 단백질 상호작용을 통해 세포 내의 다양한 생리 활성을 조절한다고 알려져 있다. 기존 연구에서, 피칼리박테리움 프로스니치 A2-165균의 PTS는 16개의 단백질로 구성되었으며 특이적으로 두 개의 EI homolog 중에 한 가지만 인산전달기능이 있는 것과 두 개의 HPr중 HPr1은 인산 전달계 과정에 중점적으로 참여하는 반면 HPr2는 생리 조절자의 역할을 할 것으로 예상한 바 있다. 본 연구에서는, 피칼리박테리움 프로스니치 A2-165의 당 특이적인 PTS 구성요소들의 기능을 살펴보고자 in vitro 인산기전달실험을 수행하였고, 피칼리박테리움 프로스니치에서 추출한 막단백질들을 사용해 연구한 결과 과당과 N-아세틸글루코사민이 PTS를 통해 수송된다는 것을 발견하였다. 또한 PTS 단백질의 생리 조절 기능을 연구하는 과정에서 HPr2가 갈락토스 분해 과정에 필수적인 갈락토스 1-인산 유리딜기 전이효소 (galactose-1-phosphate uridylyltransferase)와 상호작용하는 것을 새롭게 발견하였다. 결과적으로, 피칼리박테리움 프로스니치 PTS가 장내에 존재하는 탄수화물을 섭취하는 과정에 관여할 것으로 추측하였고, 이러한 기작이 장내에서 경쟁하고 생존하는데 이바지할 것으로 예상하였다.