Sep 29, 2023
AMPによる急速な代謝再プログラミング
Nature Communications volume 14、記事番号: 422 (2023) この記事を引用 2062 アクセス 17 Altmetric Metrics の詳細 遍在性病原体トキソプラズマ ゴンディは、複雑なライフスタイルを持っています。
Nature Communications volume 14、記事番号: 422 (2023) この記事を引用
2062 アクセス
17 オルトメトリック
メトリクスの詳細
遍在性病原体トキソプラズマ ゴンディは、寄生環境と密接に関係するさまざまな段階でさまざまな代謝活動を行う複雑なライフスタイルを持っています。 今回我々は、トキソプラズマにおける真核生物の細胞恒常性調節因子であるAMP活性化プロテインキナーゼ（AMPK）を同定し、寄生虫の溶解サイクル中の代謝プログラミングにおけるその役割を発見した。 触媒サブユニットAMPKαは、細胞内寄生虫が細胞外環境に放出された後すぐにリン酸化され、エネルギー生成異化作用を推進して寄生虫の運動性と宿主細胞への侵入を強化します。 宿主細胞に入ると、AMPKα リン酸化は基礎レベルまで低下し、エネルギー生産とバイオマス合成のバランスが促進され、強力な寄生虫の複製が可能になります。 AMPKγ の枯渇により、AMPKα のリン酸化が消失し、寄生虫の増殖が抑制されます。これは、野生型 AMPKα を過剰発現することで部分的に回復できますが、リン酸化変異体では回復できません。 したがって、AMPK による周期的な再プログラミングを通じて、寄生虫の各段階での代謝ニーズが満たされ、溶解サイクルが確実に進行します。
環境条件の変化は、すべての生物にとって対処しなければならない課題です。 寄生生物は、その独特な生活様式により、環境の変化への反応と適応に特に優れています。 トキソプラズマ ゴンディは、世界の人口の 3 分の 1 と多数の動物に感染する遍在性の原生動物であり、非常に多様な宿主および環境条件で成長し、生存することができます 1,2。 この寄生虫は、その発病と伝染の鍵となる複数の段階を交互に繰り返す複雑なライフサイクルを持っています。 中間宿主の急性感染中に、寄生虫はタキゾイトとして急速に増殖し、トキソプラズマ症の臨床症状の原因となります3。 タキゾイトは宿主細胞に積極的に侵入し、宿主細胞内で複製し、寄生虫の数が一定量に達すると細胞を溶解して新たな侵入を開始します。 最適な条件下では、寄生虫はタキゾイトとして継続的に成長し、溶解サイクルを繰り返します。 しかし、ストレスや飢餓条件下では、タキゾイトはブラディゾイトと呼ばれる活性の低い形態に変化する可能性があり、ブラディゾイトは組織嚢胞内に閉じ込められ、宿主内で生涯にわたる慢性感染を維持します1、2、4。
トキソプラズマ寄生虫は、さまざまな段階でさまざまな代謝活動を行います。 大部分の解糖酵素には 2 つのアイソフォームがあり、その多くは段階特異的な発現を示し 5,6、異なる段階での解糖活性の明確な要件を示しています。 同様に、ブラディゾイトとオーシストは大量のアミロペクチンを蓄積しますが、これはタキゾイトではほとんど見られません7、8、9。 このような段階特有の代謝の生理学的重要性と根底にある調節機構はほとんど知られていない。 タキゾイトの溶解サイクルには 2 つの段階が含まれます。1 つは新たに外に出た寄生虫が滑走運動を利用して宿主細胞を見つけて侵入する短い細胞外段階、もう 1 つは侵入した寄生虫が宿主細胞内で増殖する細胞内段階です。 代謝の観点から見ると、細胞外タキゾイトの主な目的は、迅速かつ効率的な侵入を可能にする十分なエネルギーを生成することですが、細胞内寄生虫は自己複製するためにバランスの取れたエネルギー生産と高分子合成を必要とします。 解糖酵素フルクトース二リン酸アルドラーゼは、寄生虫が宿主細胞から放出されるとすぐに、細胞質から寄生虫の周囲に再局在することが観察されています10。 寄生虫の運動を駆動する運動複合体は寄生虫の膜の下にあるため、解糖酵素の再局在化は、必要な場所でエネルギーを素早く生成する方法であると考えられていました11。 さらに、タキゾイトを13C標識グルコースで処理してグルコース由来の炭素の流れを監視すると、13Cは細胞内寄生虫では脂肪酸などの高分子に効率的に取り込まれるが、細胞外寄生虫ではそのような分子にはほとんど取り込まれないことが示された12。 これらの観察は、細胞外段階は数秒から数分の非常に短いものではあるが、その代謝が細胞内寄生虫の代謝とは根本的に異なることを示唆しています。 このような短時間の代謝移行がどのように制御され、達成されるのかはまったくわかっていません。
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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