腸内のイノシトール脂質代謝の特性評価 - 成都サイブトリングループ株式会社

Nature Microbiology volume 7、pages 986–1000 (2022)この記事を引用する

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メトリクスの詳細

イノシトール脂質は真核生物に遍在しており、細胞シグナル伝達と膜ホメオスタシスにおいて細かく調整された役割を果たしています。しかし、細菌ではイノシトール脂質の産生は比較的まれです。最近、著名なヒト腸内細菌バクテロイデスシータイオタオミクロン (BT) がイノシトール脂質とスフィンゴ脂質を生成することが報告されましたが、その経路は依然として不明瞭で、その蔓延状況は不明です。ここでは、ゲノムおよび生化学的アプローチを使用して、スフィンゴ脂質合成の誘導制御を持つこれまでに記載されていない株を使用して、BTにおけるイノシトール脂質合成の遺伝子クラスターを調査しました。私たちは、ミオイノシトールリン酸 (MIP) 合成からホスホイノシトールジヒドロセラミドまでの生合成経路を特徴付け、組換え BT MIP シンターゼ酵素の結晶構造を決定し、細菌由来のホスファチジルイノシトールリン酸 (PIP-DAG) からホスホイノシトールジヒドロセラミドへの変換に関与するホスファターゼを同定しました。ホスファチジルイノシトール (PI-DAG)。インビトロでは、イノシトール脂質産生の喪失により、BT カプセルの発現と抗菌ペプチド耐性が変化しました。 in vivo では、ノトバイオティックマウスモデルにおいて、イノシトール脂質の損失により細菌の適応度が低下しました。われわれは、Prevotella に共通する、PIP-DAG 中間体を含まない細菌の PI-DAG 合成について、これまで記載されていない 2 番目の推定経路を特定しました。我々の結果は、イノシトールスフィンゴ脂質の産生が宿主に関連するバクテロイデス属に広く存在し、共生に影響を及ぼしていることを示しています。

真核生物に豊富に含まれる炭素環状糖であるイノシトールは、多様なリン酸化二次メッセンジャーであるイノシトールリン酸およびイノシトール脂質の基礎を形成します。最も単純なイノシトール脂質は、極性頭部基としてイノシトールを持ちます。たとえば、ホスファチジルイノシトール (PI-DAG、グリセロリン脂質骨格、図 1a) またはイノシトールホスホリルセラミド (スフィンゴ脂質骨格) です。イノシトール頭部基は、PI-DAG をリン酸化して生理活性ホスホイノシチドを形成したり、イノシトールスフィンゴ脂質にマンノースを付加して酵母に豊富に含まれるマンノシルイノシトールホスホリルセラミドを形成したりするなど、さらに修飾することができます 1,2。イノシトール誘導体は、真核細胞生理学の重要なプロセスを制御します。たとえば、ホスホイノシチドはリン脂質全体のごく一部を構成していますが、細胞小器官の同一性をマークし、細胞骨格と膜の相互作用を調節し、細胞分裂とオートファジーを制御するために不可欠です3,4。

a、イノシトール脂質合成に関連した新規スフィンゴ脂質合成代謝経路。この研究で調査したBT酵素（黒太字）と代表的な脂質構造を示し、脂肪酸メチルエステル分析によって決定された主要な構造を反映した鎖長と分岐を示します（補足を参照）情報、補足図 1 および 2、および表 6)。ジヒドロセラミドベースの脂質の分岐パターンは予測されており、確認されていません。スフィンゴ脂質の構造は紫色で名前が付けられ、水色の背景に示されています。グリセロリン脂質の構造は、灰色の背景に緑色で名前が付けられています。イノシトール脂質は破線ボックスで囲まれています。 SPT、セリンパルミトイルトランスフェラーゼ。 b. BT イノシトールおよびイノシトール脂質合成のゲノム領域と染色体番号付け (逆方向に表示)。遺伝子の色 (青または赤) は、BioCyc によって予測されたオペロンのメンバーシップを示します。注釈は、この研究で解明された酵素機能です（ノックアウト株には脂質表現型が欠如しているため、BT_1524 は仮説のままです）。ａのスフィンゴ脂質部分の基質および生成物は、これらの反応（ＳＰＴを超えて）がバクテロイデスにおいて特徴づけられていないため、記載されていない。

イノシトール脂質は真核生物に広く分布しているにもかかわらず、細菌におけるイノシトール脂質の構造と分布についてはほとんど知られていません。細菌のイノシトール脂質は比較的まれであり、これまで主に放線菌 (マイコバクテリア、コリネバクテリア、ストレプトミセス属) 5、6、7 およびスピロヘータ (トレポネーマ) での PI-DAG 合成に限定されていると考えられていました。偏性細胞内病原体である結核菌では、PI-DAG のイノシトールヘッドグループが表面オリゴ糖病原性因子を外膜に結びつけています9。

1.5 and exclude those with maximum absolute log2-fold-change difference in expression <1.5 in all pairwise comparisons of conditions. The tree above the expression data represents the Euclidean column clustering defining the sample order by expression similarity. Colour in the far right column indicates gene assignment to one of 8 CPS loci. Strains tested include WT BT, iSPT, ΔBT_1522 and iSPTΔBT_1526 in the iSPT background. SPT induction in the iSPT strains at 0, 0.2, 1.0, 5.0 or 100 ng ml−1 aTC induction is indicated in shades of grey. Labels below each column indicate strain, induction level and replicate ID according to the following pattern: ‘(strain) - (aTC induction in ng ml−1) (replicate A/B)’. Blue and pink shading emphasizes replicates from the ΔBT_1526 and ΔBT_1522 strains, respectively. b, Percent abundance of inositol among total glycosyl residues detected in each WT and inositol lipid knockout strain (n = 3 biological replicates per strain tested; means ± s.d.). Legend and data colours are the same as in c and d. Full capsule analysis (lipids and glycosyl residues) are available in Extended Data Fig. 6. c, IC50 (n = 2 biological replicates per strain) for each WT and BT inositol lipid knockout strain in minimal medium supplemented with the cationic antimicrobial peptide LL-37. Data are representative of two experiments and represented as mean ± s.d. One-way ANOVA F(5,6) = 35.5; P = 0.0002; Tukey’s multiple comparisons: *P ≤ 0.05, **P ≤ 0.01, ***P ≤ 0.001. WT vs ΔBT_1523 P = 0.0124; WT vs ΔBT_1525 P = 0.0007; WT vs ΔBT_1526 P = 0.0016. d, Caecal BT colonization of mice after 14 d bacterial association. Copies of BT (c.f.u.-equivalents quantified by qPCR analysis of BT_1521 copy number) present in mouse caecal contents after 14 d strain association. One-way ANOVA F(3,28) = 5.6; P = 0.004; Tukey’s multiple comparisons: *P ≤ 0.05, **P ≤ 0.01 (n = 8 mice; each point is the mean of 3 technical replicate measurements). WT vs ΔBT_1526 P = 0.0496; ΔBT_1522 vs ΔBT_1523 P = 0.0480; ΔBT_1523 vs ΔBT_1526 P = 0.0050. Normality of data distribution was confirmed using the D’Agostino-Pearson test at alpha = 0.05. e, Percent abundances of WT in the combined WT + ΔBT_1523 population in the initial inoculum (n = 1, mean of 3 technical replicates) and in the caeca of 8 gnotobiotic mice following a 14 d colonization (n = 8 mice; each point is the mean of 3 technical replicates per mouse). The black line indicates the median of the WT BT abundance in mouse caeca following the competition experiment (73.0%)./p>100 glycosyl residues can be bound to a single lipid-linked inositol44,45. However, the low inositol abundance in our capsule analysis lacks enough statistical power to determine this unequivocally in BT. The CPS loci expressed by BT, and differentially expressed when MIPS is deficient, have been shown to influence recognition by the host adaptive immune system and bacteriophage29,46. The strong effect of MIPS deficiency on transcription of capsule-related genes may therefore indicate an indirect role for inositol on cross-kingdom interactions./p>20 mg l−1 of E. coli culture./p>1.5./p> 0.05. In the RNA-seq experiment, P values were calculated from empirical Bayes moderated t-statistics and adjusted according to the Benjamini-Hochberg method; only significantly differentially expressed genes with >1.5 absolute log2 fold change are reported. The ‘n’ reported in each experiment represents an individual biological replicate for the relevant experiment (for example, mouse caecal sample, bacterial culture). No statistical methods were used to pre-determine sample sizes, but our sample sizes are similar to those reported in previous publications51. Data collection and analysis were not performed blind to the conditions of the experiments. No animals or data were excluded from the analyses. In mouse experiments, mice were randomly assigned to a treatment condition to randomize age and litter of origin. For in vitro experiments, following strain generation, identical treatments were performed (for example, lipid extraction and analysis, capsule extraction and analysis, AMP resistance and growth curves) so randomized allocation was not necessary. TLC experiments were repeated independently at least two times with similar results./p>