박테리아의 새로운 콜레스테롤 생합성

Nature Communications 14권, 기사 번호: 2904(2023) 이 기사 인용

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진핵생물은 진핵생물 생리에 필수적인 콜레스테롤을 포함하여 고도로 변형된 스테롤을 생산합니다. 스테롤을 생산하는 박테리아 종은 거의 알려져 있지 않지만, 박테리아에서 콜레스테롤이나 기타 복합 스테롤의 새로운 생산은 보고되지 않았습니다. 여기에서 우리는 해양 점액박테리움 Enhygromyxa salina가 콜레스테롤을 생산하고 추가 하류 변형에 대한 증거를 제공한다는 것을 보여줍니다. 생물정보학적 분석을 통해 우리는 진핵생물 경로와 대체로 상동하는 E. salina의 추정 콜레스테롤 생합성 경로를 식별합니다. 그러나 실험적 증거는 C-4의 완전한 탈메틸화가 독특한 박테리아 단백질을 통해 발생하여 박테리아와 진핵 콜레스테롤 생합성을 구별한다는 것을 나타냅니다. 또한 시아노박테리움 Calothrix sp. NIES-4105는 또한 C-4 위치에서 스테롤을 완전히 탈메틸화할 수 있으며, 이는 복잡한 스테롤 생합성이 다른 박테리아 문에서 발견될 수 있음을 시사합니다. 우리의 결과는 진핵생물에 필적하는 박테리아 스테롤 생산의 복잡성을 드러내고 박테리아와 진핵생물 영역에서 스테롤 생합성 사이의 복잡한 진화 관계를 강조합니다.

스테롤은 세포 신호 전달, 막 항상성 및 발달 타이밍을 포함한 다양한 생리적 기능에 중요한 편재하고 필수적인 진핵 지질의 한 종류입니다1,2,3. 진핵생물의 스테롤 생합성은 불포화, 탈메틸화 및 알칼리의 수준이 달라지는 유사한 스테롤 최종 산물을 생산하는 데 사용되는 공유 효소 세트를 포함하여 복잡한 생합성 경로를 광범위하게 밝히는 연구를 통해 이루어졌습니다4,5. 이러한 생합성 경로의 반응 순서는 지질 항상성6,7, 하류 생성물 생합성8 및 스트레스 반응9에서 조절 역할을 하는 스테롤 중간체의 생산 및 축적을 결정합니다. 척추동물의 콜레스테롤, 식물의 피토스테롤, 곰팡이의 에르고스테롤을 합성하는 데 필요한 화학적 변형은 이러한 지질의 생물물리학적 특성에 필수적이며, 해당 유기체의 국소화 및 막 역학에 영향을 미칩니다. 이러한 스테롤은 또한 하류 대사산물 생합성을 위한 분기점 역할을 합니다. 산화 반응은 스테롤을 다양한 신호 전달 경로에서 리간드로 기능할 수 있는 옥시스테롤, 담즙산, 스테로이드 호르몬 및 브라시노스테로이드를 포함한 광범위한 화합물로 전환하는 데 관여합니다13,14,15. 진핵생물은 또한 스테롤을 당, 단백질 및 기타 지질에 결합시켜 세포 방어, 에너지 저장, 소화 및 신호 전달을 포함하도록 스테롤의 기능을 더욱 확장합니다16,17,18. 전반적으로, 진핵생물 스테롤 생합성의 복잡성은 이러한 지질이 진핵생물 생리학에서 수행하는 다양한 기능과 중요한 역할을 반영합니다.

스테롤 생합성 및 기능은 진핵 생물에서 잘 연구되었지만, 박테리아 스테롤 합성 및 기능은 비교적 과소 탐구되었습니다. 호기성 메탄영양균, Planctomycetes 및 다양한 점액세균을 포함한 여러 박테리아가 스테롤 드 노보19를 생성하는 것으로 알려져 있습니다. 진핵생물과 달리 이 박테리아는 OSC(옥시도스쿠알렌 시클라제)의 초기 고리화 산물인 라노스테롤, 파케올 또는 사이클로아르테놀을 주로 생산합니다. 그러나 일부 박테리아는 스테롤 합성 중에 추가적인 화학적 변형을 수행합니다. 메탄영양 세균은 스테롤을 Methylococcaceae19, 스테롤 생성 Planctomycetes 접합체 스테롤을 미확인 거대분자로 변형시키고, 여러 Myxococcota23은 자이모스테롤19,22,24을 포함한 콜레스테롤 생합성 경로에서 중간체를 생성합니다. 더욱이, 계통유전학 연구는 잠재적인 박테리아 스테롤 생산자의 수를 확장하여 박테리아 도메인 전체에 걸쳐 문(phyla)의 고리화 및 하류 변형 모두에 필요한 유전자를 식별했습니다. 이러한 박테리아 중 몇몇은 콜레스테롤을 포함하여 진핵생물과 관련된 생합성적으로 복잡한 스테롤을 생산할 수 있는 유전적 잠재력을 갖고 있지만, 지질 분석에서는 아직 박테리아에 이러한 스테롤이 존재하는지 확인하지 못했습니다5.