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Multi-faceted regulatory roles of EIIANtr, the final phosphate receptor of nitrogen-related phosphotransferase system
Korean J. Microbiol. 2022;58(3):109-119
Published online September 30, 2022
© 2022 The Microbiological Society of Korea.

Chan-Sau Park and Eun-Jin Lee*

Department of Life Sciences, Korea University, Seoul 02841, Republic of Korea
Correspondence to: *E-mail: eunjinlee@korea.ac.kr; Tel.: +82-2-3290-3411; Fax: +82-2-3290-4144
Received August 18, 2022; Revised September 19, 2022; Accepted September 21, 2022.
Abstract
The nitrogen-related phosphotransferase system (PTSNtr) is a secondary phosphorelay cascade system present in many Gram-negative bacteria. The primary sugar phosphotransferase (sugar-PTS) system has various physiological functions in bacteria based on carbon nutrients and their metabolites. Similarly, regulatory mechanisms of the PTSNtr also vary depending on the species. Recently, several studies have reported on the global regulation mechanism of EIIANtr (encoded by ptsN), the final phosphate receptor of PTSNtr, involved in nitrogen/carbon metabolism, K+ concentration regulation, and virulence regulation. Depending on the diversity of strains with the corresponding systems, different phenotypes have been observed from regulation by EIIANtr. Furthermore, since some of its regulatory mechanisms are yet to be discovered, the purpose of this review is to organize various phenotypes through the regulation of EIIANtr based on environmental conditions across species, with updating recent findings on its mechanism.
Keywords : EIIANtr, nitrogen-related phosphotransferase system (PTSNtr), pleiotropic effect, ptsN
Body

세균은 당-인산전달계(sugar phosphotransferase system, PTS)를 통해 당을 세포 내부로 수송한다(Deutscher et al., 2006). 당-인산전달계는 enzymeI (EI), histidine phosphocarrier protein (HPr) 그리고 enzymeII (EII)로 구성되며(Deutscher et al., 2006), EII는 당의 인산화에 관여하는 EIIA와 EIIB, 그리고 당 수송에 관여하는 EIIC로 나누어진다. 당-인산전달계는 phosphoenolpyruvate (PEP) → HPr → EIIA → EIIB의 방향으로 인산기를 전달하며 최종적으로 EIIC에 의해 외부의 당은 내부로 수송된다(Postma et al., 1993). 이러한 인산전달계의 흐름으로 인해 외부에 당이 존재할 시에 해당 단백질들은 탈인산화된 상태로 존재하며, 외부에 당이 존재하지 않을 시에는 인산화된 상태로 세포 내에 잔존한다. Escherichia coli를 포함한 여러 Proteobacteria는 당-인산전달계(sugar-PTS) 외에 질소-인산전달계(PTSNtr)로 표기된 두 번째 인산전달계를 보유한다. 질소-인산전달계는 EINtr, NPr, EIIANtr으로 구성되며, PEP → EINtr → NPr → EIIANtr의 방향으로 진행되는 일련의 인산화 cascade system을 통해 세포 내 생리활성을 조절한다(Fig. 1). 해당 인산전달계를 구성하는 ptsNptsO 유전자는 σ54를 암호화하는 rpoN 유전자와 동일한 오페론 내에서 발견되어 세균의 질소 동화 과정에 관여하는 질소-인산전달계로 명명되었다(Powell et al., 1995). 하지만 현재까지 질소-인산전달계의 최종 인산수용체에 해당하는 EIIANtr의 생리 조절 작용에 따른 다양한 표현형이 보도되고 있으며 해당 명칭은 다소 좁은 범주의 기능만을 내포한다. 본 총설은 ptsN 돌연변이체에서 확인되는 다양한 표현형에 대한 최근의 발견들을 정리하여 EIIANtr의 인산화 상태 지표와 세포 내 양적 조절을 통해 이루어지는 질소/산소 기반 유기물 대사, K+ 항상성 조절 및 병원성 유전자 발현 등의 다양한 세포 내 생리 활성 조절에 대해 이해한다.

Fig. 1. The nitrogen-PTS of E. coli (modified from Jahn et al., 2013). The nitrogen-phosphate transport system consists of EINtr (ptsP), NPr (ptsO), and EIIANtr (ptsN). The ptsN and ptsO genes are found in the same operon with the rpoN gene encoding σ54. PTSNtr regulates various physiological activities of cells through a series of phosphorylation cascade systems in the direction of PEP → EINtr → NPr → EIIANtr.
본 론

EIIANtr에 의한 유기 질소화합물의 생합성 조절

앞서 언급한 바와 같이 질소-인산전달계의 구성 유전자인 ptsNptsO 유전자는 σ54를 암호화하는 rpoN 오페론 내에 보존되었기 때문에 질소 대사 조절에 관여할 것으로 예상되었다. 해당 개념은 Klebsiella pneumoniaeptsN 삽입 돌연변이체가 질소 고정량의 증가 현상이 관찰되었고(Merrick and Coppard, 1989), 이는 추후 질소 고정 유전자 nifL, nifH와 글루타민 합성 유전자 glnA의 전사 증가에 기인한 결과로 밝혀졌다(Merrick et al., 1995). ptsO 돌연변이체에서는 해당 유전자의 전사 감소가 관찰되었는데, 이는 탈인산화 형태의 EIIANtrnifglnA의 전사를 억제한다는 것을 의미하며, 결과적으로 Escherichia coli에서 PTSNtr은 질소 동화과정에 간접적으로 영향을 미칠 수 있음을 시사하였다.

ptsN 돌연변이체는 다양한 유기 질소 공급원에서 자랄 수 있지만, TCA 회로 중간산물을 탄소 공급원으로 첨가할 시 세포의 성장이 저해되었다(Powell et al., 1995) (Table 1). 추가적인 탄소 공급원이 존재할 시에 EIIANtr에 의한 질소 동화 작용이 촉진되었으며, 이를 근거로 한 EIIANtr의 질소-탄소 연계적인 대사 조절 모델을 예상되었으나 해당 조절 과정의 메커니즘은 밝혀지지 않았다. 추후 ptsN 돌연변이체에서 branched-point 아미노산(아세토히드록시 합성효소, AHAS)의 생합성 첫 단계를 담당하는 효소의 활성과 해당 유전자(ilvBilvN)의 발현이 급격히 감소되는 현상이 보고되어 EIIANtr에 의한 질소 조절작용이 다시 주목받았으나(Lee et al., 2005), 이는 ptsN 돌연변이체의 K⁺ 흡수 증가의 결과로 나타난 현상이며(Lee et al., 2007), 질소-인산전달계를 매개로 하는 간접적인 방식의 질소 유기물 대사 조절에 해당한다. 최근 E. coli 균주에서 EIIANtr를 통한 세포 내 아미노당 조절 작용에 대한 보고에 따르면(Yoo et al., 2016), 인산화된 EIIANtr은 아미노당 생성 효소인 GlmS와 직접적으로 상호작용하여 해당 효소의 활성을 억제한다고 보고되었다(Fig. 2). 세포의 아미노당 고갈 시 EIIANtr은 Lon protease에 의해 분해되며, EIIANtr에 의한 GlmS 활성의 조절과 RapZ에 의한 GlmS 번역의 조절을 통해 세포는 질소공급원과 아미노당 농도에 대응하여 세포 내 아미노당 항상성을 조절한다(Göpel et al., 2013). 이는 나아가 아미노당을 통해 세균의 세포벽 성분인 펩티도글리칸과 lipopolysaccharide (LPS)의 합성 조절을 매개할 수 있다는 점을 시사한다.

Summary of nitrogen metabolic processes controlled by PTS<sup>Ntr</sup>
Organism Phenotype Regulator Mechanism
Escherichia coli ptsN is required for growth on nitrogenous organic ? Unknown
Salmonella enterica ptsN is required for amino-sugar production in the presence of nitrogen sources EIIANtr EIIANtr represses GlmS activation, which is critical for amino-sugar production
Klebsiella pneumoniae Nitrogen fixation is reinforced in ptsN mutants and inhibited in ptsO mutants EIIANtr Dephosphorylated EIIANtr represses nifL and nifH transcription
Overexpression of ptsN downregulates growth on NH4+ EIIANtr EIIANtr represses glnA transcription
Pseudomonas aeruginosa ptsN mutants are unable to utilize nitrogenous organic ? Unknown
Azotobacter vinelandii Nitrogenase activity is repressed in ptsP mutants ? Unknown
Rhizobium etli Transcription of nifH and melanin production are repressed in ptsN and ptsA mutants ? Unknown

Fig. 2. Regulation of cellular amino sugar homeostasis mediated by EIIANtr. In high cellular concentrations of glutamine and α-ketoglutarate, which are nitrogenous organic molecules, EIIANtr exists in a dephosphorylated state. Dephosphorylated EIIANtr cannot bind to GlmS and GlmS is free activated, increasing the concentration of amino sugar GlcN6P. When the nitrogenous organic is depleted, EIIANtr is phosphorylated, inactivating the GlmS after directly binding to it, and the concentration of GlcN6P decreases. This soon activates the Lon protease activity, causing the degradation of EIIANtr, and as a result, GlmS becomes active again.

EIIANtr에 의한 탄소 저장 및 방향족 화합물의 분해 조절

Azotobacter vinelandiiPseudomonas putida에서 질소-인산전달계는 polyhydroxyalcanoate (PHA)의 축적을 조절한다는 것이 보고되었다(Velazquez et al., 2007). PHA는 일반적으로 과량의 탄소유기물 존재 혹은 질소 제한 조건에서 축적되는 탄소 저장 화합물이다(Hoffmann and Rehm, 2004). EINtr과 NPr의 감소는 두 세균 모두에서 PHA 축적량이 감소했으나, EIIANtr의 손실은 PHA 축적량을 증가시켰다(Segura and Espin, 1998). 또한 인산화가 불가능한 EIIANtr 돌연변이체에서는 PHA의 축적이 관찰되지 않았다(Noguez et al., 2008). 이때, A. vinelandii에서 탈인산화 형태의 EIIANtr이 PHA 생합성을 매개하는 phbBAC 오페론 발현의 전사활성자 phbR의 전사를 억제하는 조절인자로 작용하였다. Azotobacter vinelandiiRalstonia eutropha 균주의 경우 질소 결핍 조건에서 세포 내 polyhydroxybutyrate (PHB)의 축적이 유발되었는데(Kaddor and Steinbüchel, 2011; Peña et al., 2014), 이는 EIIANtr와 SpoT 간의 상호작용을 통한 ppGpp 생성 조절로 인해 발생한 일종의 스트레스 반응의 결과로 보고되었다(Karstens et al., 2014) (Table 2).

Summary of carbon metabolic processes controlled by PTS<sup>Ntr</sup>
Organism Phenotype Regulator Mechanism
Azotobacter vinelandii Accumulation of PHAs is enhanced in ptsN mutants EIIANtr EIIANtr represses phbR and phbBAC
Accumulation of PHBs is enhanced in nitrogen organic depletion state EIIANtr Unknown
Pseudomonas putida Accumulation of PHAs is enhanced in ptsN mutants ? Unknown
ptsN mutation relieves catabolism of toluene/xylene from CCR EIIANtr Phosphorylated EIIANtr modulates the activity of the Pu promoter
Ralstonia eutropha Accumulation of PHBs is enhanced in nitrogen organic depletion state EIIANtr Phosphorylated EIIANtr activates ppGpp synthase


EIIANtr에 의한 탄소 저장 조절에 더불어, P. putida mt-2의 질소-인산전달계는 톨루엔(toluene) 및 자일렌(xylene) 대사 조절에도 관여하는데, 이러한 방향족 화합물의 분해는 TOL plasmid pWW0 내의 두 오페론의 발현에 의해 조절된다고 보고되었다. 이들 오페론 중 하나는 σ54 의존성 Pu 프로모터(Box 1)의 조절을 받는데, 해당 프로모터는 포도당 존재 여부에 따른 CCR (Carbon Catabolite Repression) (Box 2) 과정을 통해 조절되며, 그에 따라 톨루엔 혹은 자일렌과 같은 방향족 화합물을 분해한다. 인산화된 EIIANtr은 해당 조절과정의 중간자로 작용하여 σ54 의존성 Pu 프로모터의 발현을 저해하였는데(Cases et al., 1999; Aranda-Olmedo et al., 2006), 이를 통해 EIIANtr의 히스티딘 잔기의 치환 돌연변이 균주에서 CCR의 억제 작용을 확인할 수 있었으나 EIIANtr에 의한 Pu 프로모터 조절의 분자적 메커니즘은 정확히 밝혀지지 않았다.

EIIANtr에 의한 세포 내 K+ 농도 조절

Pu promoter

톨루엔, m-자일렌, p-자일렌, 3-에틸톨루엔 및 1,2,4-트리메틸벤젠 및 이들의 알코올, 알데히드 및 카르복실산 유도체를 탄소 공급원으로 이용하는 데 필요한 모든 종류의 효소를 암호화하는 P. putida mt-2의 117-kb TOL 플라스미드의 구성 프로모터이다(Franklin et al., 1981). 방향족 화합물을 TCA 회로의 중간생성물로 전환하는 데 필요한 유전자는 Pu 프로모터로 조절되는 유전자 집합체 xylUVWCMABN으로 구성된 상부 오페론, 그리고 Pm 프로모터로 조절되는 메타 오페론에 위치한다. 상부 오페론에 의해 암호화된 단백질은 톨루엔과 p-자일렌을 상응하는 카르복실산으로 전환시키는 역할을 하며, 이후 메타 오페론에 의해 암호화된 효소의 활성에 의해 추가로 분해된다(Ramos et al., 1997). 해당 프로모터는 아미노산과 같은 영양소의 제한조건에서 다량 생성되는 ppGpp에 의해 활성화된다(Carmona et al., 2000).

Carbon catabolite repression (CCR)

선호하는 탄소 공급원이 이용 가능할 때 2차 탄소 공급원의 이용과 해당 효소의 활성을 억제하는 조절 메커니즘으로 여러 세균 종을 포함한 미생물의 대사 조절 시스템이다(Görke and Stülke, 2008). 일반적으로 2차 탄소 공급원의 이화작용에 관여하는 효소의 합성을 억제하는 메커니즘으로 진행되는데, E. coli의 경우 이화 작용 억제는 인산전달계를 통해 조절되며 이때, EIIA가 해당 메커니즘에서 중심적인 역할을 한다. 장내 세균에서 EIIA 효소 중 하나는 포도당의 운반에만 특이적이다. 세포 내 포도당 농도가 높을 때, EIIA는 대부분 비인산화된 형태로 존재한다. 이는 아데닐산 고리화효소(adenylate cyclase, AC) 활성화 감소와 젖당 투과효소(Lactose permease)의 억제로 이어지며, 결과적으로 cAMP 농도는 낮아지며, 젖당은 세포 내부로 운반될 수 없다. 포도당 수치가 낮을 때, 인산화된 형태의 EIIA는 축적되어 결과적으로 AC를 활성화시키고, 이는 높은 수준의 cAMP를 생성하며, cAMP는 catabolite activator protein (CAP)에 결합하고, 락오페론의 프로모터 서열과 결합하여 젖당 대사에 필요한 효소의 합성을 매개한다. 대사작용의 억제는 세균의 범용적인 조절 시스템의 일부이며, 젖당 대사 유전자의 전사 조절 이외로 다양한 유전자에 영향을 미친다(Deutscher, 2008).

질소-인산전달계는 E. coli에서 칼륨 흡수를 직접적으로 조절하는 역할을 하는 것으로 알려졌다. 세포의 주변 환경의 K⁺ 농도가 높을 때, K⁺ 흡수는 일반적으로 한 쌍의 K⁺ 전위(translocation) 수송단백질(TrkH 혹은 TrkG)과 막단백질 TrkA에 의해 이루어진다. 질소-인산전달계는 탈인산화 형태의 EIIANtr을 TrkA에 직접 결합하여 Trk의 활성을 방해하는 것이 보고되었다(Lee et al., 2007) (Fig. 3). 이 근거로 ptsN 돌연변이체에서는 K⁺ 흡수율이 증가하지만 ptsO 돌연변이체 혹은 인산화가 불가능한 형태의 EIIANtr을 발현하는 돌연변이체에서는 K⁺ 흡수율이 감소하였다. ptsN 돌연변이체에서 나타나는 아세토히드록시 합성효소(AHAS)의 발현 감소 현상은 EIIANtr에 의한 TrkA 조절 기능의 부재로 인한 세포 내 칼륨 농도의 증가에 기인하였다(Lee et al., 2005). Trk 수송단백질은 K⁺에 대한 친화력이 낮기 때문에 저농도의 K⁺ 상황에서는 작동이 어려운데, 이러한 조건에서 K⁺의 흡수는 고친화성 P형 ATPase KdpFABC에 의해 이루어진다(Haupt et al., 2005). 저농도의 K⁺ 조건 하에서 히스티딘 인산화효소 KdpD는 자가 인산화 및 인산기 전달 과정을 거쳐 KdpE로 인산기를 전달한다(Jung et al., 1997). 인산화된 KdpE는 kdpFABC 프로모터의 상류 부위에 결합하여 전사 개시를 유도하며, 탈인산화 형태의 EIIANtr은 히스티딘 인산화효소 KdpD에 직접적으로 결합함으로써 동일 과정을 매개하여 kdpFABC 프로모터의 활성을 증가시킨다는 것이 밝혀졌다(Lüttmann et al., 2009). 또한, 인산화된 EIIANtr은 저농도의 K⁺ 상황에서는 K⁺ 흡수를 향상시키고(Lüttmann et al., 2009) 고농도의 K⁺ 상황에서는 K⁺ 흡수를 억제하였다(Lee et al., 2007). 결과적으로 E. coli에서 질소-인산전달계는 K⁺ 항상성 조절에 직접적으로 관여함을 제시하였다(Fig. 3). 앞서 언급한 바와 같이 EIIANtr의 인산화 지표는 sugar-PTS의 활성에 의해 추가적으로 영향을 받기 때문에 포도당 혹은 다른 인산전달계의 기질의 대사 시, EIIANtrkdpFABC 오페론의 발현을 더욱 자극하는 것으로 나타났다(Lüttmann et al., 2009). 따라서 세포의 K⁺ 농도 조절과 탄수화물의 대사 조절 사이에는 질소-인산전달계를 매개로 한 연관성이 존재함을 알수 있다.

Fig. 3. Regulation of potassium homeostasis by EIIANtr in E. coli. Dephosphorylated EIIANtr in the state directly binds to TrkA to regulate its activity. At low potassium concentrations, potassium is absorbed into the cell by the KdpFABC potassium transporter. Upon activation by EIIANtr, KdpD transfers a phosphate group to KdpE and phosphorylated KdpE binds to an upstream promoter of kdpFABC to promote the expression of the genes. The nitrogen-related phosphotransferase system is directly involved in the regulation of K⁺ homeostasis in E. coli.

Escherichia coliptsN 돌연변이 균주는 외부 고칼륨 농도 조건에서 생장이 저해되는 칼륨 민감성을 보인다. CvrA로도 알려진 내막 단백질 YcgO는 낮은 삼투압 조건에서 세포 내 K⁺의 농도조절을 통해 세포의 부피를 조절하는데(Verkhovskaya et al., 2001), 근래의 보고에 따르면 YcgO는 ptsN 돌연변이 균주에서 K⁺ 유출 시스템으로 기능할 수 있다(Sharma et al., 2016). 이때, YgcO의 활성은 EIIANtr의 인산화 지표에 따라 조절되는데, 탈인산화 상태의 EIIANtr는 YcgO의 활성을 억제하며, EIIANtr의 인산화를 유발하는 자극은 YcgO를 통해 K⁺ 유출을 활성화하며, 나아가 세포의 성장 저해할 수 있다(Sharma et al., 2016) (Table 3).

Summary of potassium regulation processes controlled by PTS<sup>Ntr</sup>
Organism Phenotype Regulator Mechanism
Escherichia coli Leucine is toxic for cell growth in ptsN mutants. EIIANtr Elevated K⁺ concentration inhibits AHAS I activity and synthesis. Therefore, leucine inhibits remaining AHAS III
EIIANtr inhibits K⁺ influx at high K⁺ concentrations EIIANtr EIIANtr binds low affinity K⁺ transporter TrkA
EIIANtr stimulates K⁺ influx at low K⁺ concentrations EIIANtr EIIANtr binds to and stimulates KdpD kinase, which mediates high affinity K⁺ transporter KdpFABC synthesis
dephospho-EIIANtr inhibits K⁺ limitation whereas external K⁺ signal stimulates it EIIANtr Dephosphorylated EIIANtr inhibits YcgO K⁺ efflux activity

Salmonella pathogenicity island (SPI)

Salmonella의 병원성 발현의 중심 요소가 되는 유전자 집합체이며 현재까지 총 17개의 SPI가 보고되고 있다(Riquelme et al., 2016). SPI-1는 bacteria-mediated endocytosis (BME)와 장 상피세포 침입에 필요한 III형 분비 시스템(T3SS)을 암호화한다. T3SS는 세균 세포질에서 숙주 세포로 독성을 가진 단백질의 전이를 통해 숙주 세포의 기능을 저하시킨다. T3SS는 또한 세포 접촉 의존적인 방식으로 단백질을 전위(translocation)시키는 능력 때문에 ‘분자 바늘’로도 알려져 있다(Cornelis, 2006). T3SS는 몇몇 그람 음성 세균(e.g. Salmonella, Yersinia, Shigella, E. coli, Pseudomonas)에서도 발견된다. SPI-2는 대식세포 내의 생존과 전신 감염의 확립에 필수적인 T3SS를 암호화한다. SifA, SifB, SseJ, SopD2, PipB, 및 PipB2를 포함한 SPI-2 전위(translocation) 단백질은 파고솜의 표면에 존재하며, endosomal tubulation 혹은 파고솜 변화과정에 작용한다(Uchiya et al., 1999). SPI-4의 유전자는 SIiC, SiiD 및 SiiF는 SIiE를 분비하는 I형 분비 시스템의 구성 요소를 암호화한다. SPI-4 암호화 단백질의 분자적 기능은 알려져 있지 않았으나 SPI-4는 점막대장염 모델에서 위장염 유발 과정에 기여하고 상피 세포와의 접착에도 필요하다고 보고되었으며(Kiss et al., 2007), SPI-2와 같이 대식세포 내 생존의 영향을 미친다고 보고되었다(De Keersmaecker et al., 2005).

병원성 세균 유래 EIIANtr에 의한 독성 조절

질소-인산전달계는 세균의 물질대사를 조절할 뿐 아니라 병원성 세균에서 숙주 세포와의 상호작용을 통한 병원성 조절의 역할을 한다. 이는 다양한 종에 걸쳐 병원체의 생물막 형성 및 숙주세포 침입, 독성물질의 분비, 또한 숙주세포 내 병원성 발현 조절 기능에 걸쳐 다면적으로 작동한다.

Pseudomonas aeruginosa는 생물막을 형성하여 환경에서의 생존 가능성을 높이는 그람음성 간균 형태의 병원체이다. 질소-인산전달계를 통한 인산기 전이 과정이 없는 상황에서는 이들의 생물막 형성이 저해되는데, 이러한 현상은 탈인산화 형태의 EIIANtr에 의해 매개된다(Cabeen et al., 2016). 질소-인산전달계를 통한 인산화 cascade 과정이 보장되는 환경에서 EIIANtr은 인산화된 상태를 유지하며, 이는 곧 세포 내 c-di-GMP 수준의 상승과 함께 견고한 생물막의 형성을 가능하게 한다. 다만 탈인산화 형태의 EIIANtr에 의해 매개되는 생물막 형성 억제 메커니즘은 밝혀지지 않았다.

Salmonella enterica의 전체 유전체 RNA 염기서열 분석 결과, ptsN 돌연변이 균주에서는 비타민 B12 합성, 1,2-propanediol (1,2-PDL) 및 propionate 대사에 관련한 유전자의 발현이 감소하였다(Yoo et al., 2017). 1,2-PDL과 propionate는 대사과정을 거쳐 propionyl-CoA로 전환되며, 이는 Salmonella 병원성 섬-1 (SPI-1) (Box 3)의 전사 조절자인 HilD의 안정성을 감소시키는데, propionyl-CoA는 HilD의 작용을 억제하여 SPI-1의 발현을 감소시키며, 결과적으로 Salmonella의 숙주 세포 내 침입을 저해할 수 있다(Hung et al., 2013). EIIANtr는 1,2-PDL과 propionyl-CoA의 대사에 관여하며, 환경적 조건에 반응하여 Salmonella의 숙주 세포 내 침입 여부를 조절하여 1,2-PDL과 propionate이 풍부한 장내 환경에 서식하는 Salmonella 균주로 하여금 경쟁하는 장내 미생물군 내에서 경쟁적 우위를 점하는 방식으로 작용할 수 있다고 제안되었다(Yoo et al., 2017).

Salmonella enterica의 SsrA/SsrB는 숙주 세포 내에서 살모넬라균의 생존과 복제를 매개하는 주요 조절자이다. SsrB가 활성화되면 살모넬라 병원성 유전자 섬 2(SPI-2) 내에서 여러 유전자의 전사를 촉진한다(Walthers et al., 2007). SsrB 조절 유전자의 발현량은 ptsN 돌연변이 균주에서 비정상적으로 증가했지만, EIIANtr을 과발현하는 균주에서는 감소했다. EIIANtr는 SsrB와 직접적으로 상호작용하여 SsrB 단백질과 표적 프로모터의 결합을 저해하였다(Choi et al., 2010). 또한 EIIANtrSalmonella의 PhoP와 표적 프로모터의 결합을 직접적으로 저해하여 PhoP 활성화 유전자의 발현을 조절하였다(Fig. 4). Salmonella는 대식세포 내에서 파고솜 안에서 증식하며 숙주 방어 메커니즘을 피해 생존하는데(Foster and Hall, 1990), Salmonella의 PhoP/PhoQ 병원성 조절 시스템은 대식세포 내 파고솜의 산성 환경에서 활성화된다(Prost et al., 2007). PhoP는 산성 pH 환경에서 EIIANtr의 Lon 매개 분해과정을 촉진하며, 이를 통해 Salmonella가 EIIANtr에 의한 억제 효과를 극복하기 위해 충분한 수준의 PhoP가 존재할 때까지 PhoP의 활성을 저해함으로써 필요시 충분한 병원성을 확립한다(Choi et al., 2019).

Fig. 4. Regulation of Salmonella virulence program expression by EIIANtr. The expression of the virulence gene of Salmonella is inactivated due to the inhibitory effect of EIIANtr in the early phagosome. After acidification of the phagosome, PhoP and SsrB activation proceed through phosphorylation by PhoQ and SpiR. Subsequently, when the concentration of the intracellular PhoP-P reaches a certain level, the EIIANtr is degraded by the Lon protease, and the additional activity of PhoP and SsrB increases. Consequently, this mediates the expression of the virulence program.

EIIANtr 이외의 다른 질소-인산전달계 구성 요소를 통한 독성 발현에 대한 여러 보고가 존재한다(Table 4). EINtr은 단핵 세포내 기생 균주인 Legionella pneumophila에서 잠재적 독성 인자로 확인되었다(Edelstein et al., 1999). ptsP의 돌연변이 균주는 기니피그의 폐에서 L. pneumophila의 증식 능력을 감소시켰으며(Higa and Edelstein, 2001), Pseudomonas aeruginosaptsP 돌연변이 균주 또한 Caenorhabditis elegans slow-killing assay를 포함한 여러 숙주세포 내에서 병원성의 감소가 확인되었다(Tan et al., 1999a, 1999b). 대부분의 P. aeruginosa 균주는 세포 내에서 산화적 스트레스를 유발하는 독성화합물인 파이오시아닌을 생성하는데(Mahajan-Miklos et al., 1999), EINtrP. aeruginosa의 피오시아닌 생성 조절에 관여한다(Xu et al., 2005). 또한 E. coli의 NPr은 lipopolysaccharide (LPS)의 합성 과정에 관여하는 LpxD의 활성을 조절하는데(Kim et al., 2011), LPS는 그람 음성 세균 세포벽의 요소로 염증반응을 유발하는 병원성 물질로 작용할 수 있다. 추가로 E. coli의 탈인산화 형태의 NPr은 설탕, 에탄올, 그리고 SDS와 같은 세포막 스트레스 유발 물질에 의한 반응과 관련이 있다는 보고가 있다(Lee et al., 2015). Pseudomonas aeruginosa의 EINtr은 숙주의 방어 메커니즘에 대한 저항성에 관여하는데, P. aeruginosaptsP 기능 상실은 균주의 세포막을 약화시키고 세균의 세포막에 침투하는 방어단백질인 pulmonary collectin SP-A에 더욱 민감해진다(Zhang et al., 2005).

Summary of virulence regulation processes controlled by PTS<sup>Ntr</sup>
Organism Phenotype Regulator Mechanism
Pseudomonas aeruginosa Reduction of virulence and resistance to host defense system in ptsP mutants ? EINtr represses expression of QscR, which in turn controls pyocyanin production
EIIANtr is required for biofilm inhibition in the absence of upstream phosphotransfer EIIANtr Unknown
Legionella pneumophila ptsP is required for virulence gene expression in host cells ? Unknown
Salmonella enterica EIIANtr negatively controls SPI-1 and SPI-4 expression and thereby regulates cellular invasion EIIANtr EIIANtr controls propionate catabolism and thereby unstabilizes HilD, which regulates SPI-1 in a post-translational manner
EIIANtr negatively controls SPI-2 expression and thereby regulates pathogenicity EIIANtr EIIANtr prevents the SsrB protein from binding to its target promoter
EIIANtr is required for delay of virulence circuit EIIANtr EIIANtr negatively controls expression of PhoP-regulated genes
Escherichia coli Increased LPS in a ptsO mutant affects biofilm formation NPr Dephosphorylated NPr interacts specifically with LpxD
Hypersensitive phenotype of the ptsP mutant to cellular membrane stress NPr Unknown


세포 내/외 환경에 따른 반응 조절: 주화성, 인산염 농도 조절 및 ppGpp 생합성 조절

ppGpp는 여러 유전자의 발현을 조절하여 외부 스트레스에 대해 반응을 매개하는 뉴클레오타이드이다. Escherichia coli에서 ppGpp의 합성은 RelA와 SpoT의 활성에 의해 조절되는데(Boutte and Crosson, 2013), RelA는 아미노산의 결핍 상황에서 ppGpp를 합성하며, SpoT는 이를 가수분해한다. 그러나 탄소 또는 인산 결핍 조건에서 SpoT는 ppGpp 생성 효소의 활성 갖는다(Boutte and Crosson, 2013). Escherichia coli와 유사하게, R. eutropha는 각각 SpoT와 RelA 에 대응하는 SpoT1과 SpoT2를 가지며(Brigham et al., 2012), 질소 결핍 상황에서 SpoT2에 의한 ppGpp 합성이 유도된다. Ralstonia eutropha의 EIIANtr은 SpoT와 상호작용하여 ppGpp의 합성을 조절하는데, 인산화 상태의 EIIANtr는 SpoT의 가수분해 효소 활성을 억제하여 ppGpp 생성효소의 활성을 갖도록 유도한다(Karstens et al., 2014). 최종적으로 생성된 ppGpp는 세포 내에서 DNA 복제, RNA 전사 및 번역 과정에 전반적으로 영향을 미치며, 나아가 세포 주기의 진행 여부를 결정할 수 있다(Ronneau et al., 2016).

또한, E. coli 균주에서 탈인산화 형태의 EIIANtr는 세포 내 인산염의 농도 조절 단백질을 암호화하는 Pho regulon의 발현을 조절할 수 있다(Lüttmann et al., 2012). 탈인산화된 EIIANtrphoBR의 발현을 증가시키며, 해당 유전자가 암호화하는 PhoR/B는 최종적으로 Pho regulon의 프로모터에 결합하여 무기인산염 흡수를 매개하는 Pst transporter의 발현을 유도한다(Lamarche et al., 2008). 이러한 과정은 탈인산화된 EIIANtr와 PhoR 간의 직접적인 상호작용을 통해 이루어지는데(Lüttmann et al., 2012), EIIANtr는 PhoR간의 결합을 통해 PhoB를 인산화시키며, 최종적으로 인산화된 PhoB는 Pho regulon의 발현을 증가시키는 조절자로 작용한다.

언급한 바와 같이 EIIANtr은 특정 유기물 혹은 인산염 결핍 상황에서 물질의 생성 혹은 흡수를 매개하는 과정에 관여할 뿐 아니라 세포 자체의 이동성 조절, 즉 세포의 주화성(chemotaxis)을 조절에도 관여하는 것으로 알려져 있다(Lux et al., 1995). 해당 시스템에서 EI 및 EIIAGlu가 CheA 및 CheW를 포함한 화학감각(chemosensory) 복합체의 핵심 성분과 상호 작용하며(Neumann et al., 2012), 해당 모델 시스템에서는 포도당의 존재 하에 탈인산화된 EI와 EIIAGlu가 축적되어 CheA와의 상호작용하여 CheA의 자가인산화를 억제한다. 결과적으로 이는 외부 환경의 포도당 풍부 조건에서 세포의 이동성을 감소시켜 해당 탄소 공급원으로부터 멀어지는 것을 억제하는 작용을 한다. 최근 E. coli 균주의 EIIANtr와 주화성 신호 전달과 세포 운동성에 관련된 단백질의 상호작용이 보고되었으며, 해당 연구에서 ptsN 돌연변이 균주의 세포 이동성은 야생형 대비 현저히 감소하였다(Gravina et al., 2021). 해당 과정의 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았으나 이러한 표현형의 발현은 환경적 조건에 대응하여 EIIANtr은 세포 내부의 대사과정을 조절하는 데 그치지 않고, 세포 스스로 적절한 환경으로의 이동을 매개할 수 있음을 시사한다.

결론 및 전망

그람 음성 세균의 질소-인산전달계(PTSNtr)는 세포 내 PEP로부터 시작하는 단백질-단백질 상호작용을 통한 일련의 인산기 전달 시스템이다. 이는 최초 질소 고정 유전자를 발현하는 오페론 내에 위치하여 세포 내 질소 대사 과정에 관여할 것으로 예상되었으나, 지금까지의 보고에 따르면 PTSNtr은 질소 대사 이외로 다양한 세포 내 생리작용을 조절하는 것으로 밝혀졌다. 특히나 해당 인산전달계의 최종 인산기 수용체에 해당하는 EIIANtr는 세포 내 N/C 유기물의 대사 조절, K⁺/Pi 항상성 유지, 병원성세균에서의 병원성 발현, 주화성 조절 및 스트레스 반응을 조절하며, 이러한 다양한 조절 기작은 세균이 외부 환경의 가용 영양분을 감지하여 물질대사를 조절하며, 생장에 이롭지 않은 환경 조건에서의 적응하는 정교한 방식을 보여준다.

PTSNtr은 질소의 대사뿐 아니라 탄소 유기물의 대사를 조절하는 기능을 하는데, 특히나 몇몇 종류의 bioplastic과 고리형 탄소 유기물의 생성을 조절할 수 있다. 또한 PTSNtr는 당-인산전달계(sugar-PTS)와 단백질-단백질 상호작용을 통해 연계되어 인산기를 주고받음으로써 sugar-PTS를 통한 세포 내 탄소의 대사 과정과 간접적으로 연결되어 있음을 유추할 수 있다. 특히나 EIIANtr에 의한 P. putida의 피루브산 카복실레이스, 피루브산 탈수소효소의 활성 조절(Pflüger-Grau et al., 2011; Chavarría et al., 2012)과 Rhizobium leguminosarum에서의 TCA 활성 조절에 대한 보고가 이를 뒷받침한다(Sanchez-Canizares et al., 2020). EIIANtr의 활성을 통한 세포 내 질소 유기물, 탄소 유기물의 대사는 해당과정, 당신생합성(gluconeogenesis), 그리고 아미노산의 합성과 분해 과정의 중간 대사물을 형성할 수 있으며 각각의 생화학적 경로는 공통 대사물을 통해 연결된다. 따라서 외부 환경에 따른 해당과정, 당신생합성, 그리고 아미노산 대사 회로의 진행 여부 결정에 대한 EIIANtr의 직접적인 기능 확인을 위해 EIIANtr을 통한 단백질-단백질 상호작용의 분자적 메커니즘에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

EIIANtr의 조절을 매개로 한 표현형의 대다수는 EIIANtr의 인산화 혹은 탈인산화 지표에 따른 단백질-단백질 상호작용에서 비롯되는데, 일반적인 실험적 상황에서 EIIANtr의 인산화 지표를 나누는 과정은 EIIANtr에 대한 인산기 공여자 단백질의 기능 상실 돌연변이 유발 여부를 통해 나누어진다. 인산화 및 탈인산화 기전은 가장 보편적인 단백질의 활성화 기작 중 하나로 일련의 신호전달 시스템의 진행 여부를 결정지을 수 있다. 인산화를 통한 단백질의 활성화/비활성화 기전 이외로 세포는 특정 단백질의 양적 조절을 통해 활성을 조절할 수 있는데, 이 경우 단백질 분해효소에 의해서 일어난다. EIIANtr의 분해를 매개하는 가수분해 단백질에 대한 보고가 존재하며(Lüttmann et al., 2009; Choi et al., 2010; Karstens et al., 2014; Yoo et al., 2016), 특정 균주의 경우 ptsN 이외의 다른 질소-인산전달계 내 구성 유전자의 부재로 고전적인 방식의 질소-인산전달계를 통한 EIIANtr의 인산화 기작이 결핍되어 있다(Alm et al., 2005). 다시 말해, EIIANtr조절에 의한 생리활성 조절 기작은 인산화 지표가 뿐 아니라 세포 내 EIIANtr의 양적 조절을 매개로 조절될 수 있다.

질소-인산전달계는 다양한 그람 음성 세균에 유전적으로 보존되었으며, 해당 시스템의 최종 인산기 수용체인 EIIANtr의 조절을 매개로 생성되는 다양한 유기물은 추가적인 공정 과정을 거쳐 우리들에게 이로운 합성 제재로 활용될 수 있다. 대표적인 바이오플라스틱에 해당하는 PHA 또는 PHB는 의학 및 생물학의 분야에서 사용되는 고분자 화합물의 제재로 활용될 수 있으며, 앞서 언급된 병원체에서 EIIANtr의 조절을 통한 병원성 조절 기작은 해당 병원체의 생활사에 대한 학문적인 시사점과 함께 새로운 약물 합성에 대한 주춧돌이 될 수 있을 것이기에 EIIANtr의 조절에 관여하는 추가적인 표적 단백질과 그 메커니즘에 대한 후속 연구가 진행되어야 할 것이다.

적 요

질소-인산전달계(PTSNtr)은 다양한 그람 음성 세균에 존재하는 이차적 인산화 매개 세포 신호 조절 시스템이다. 당-인산전달계(Sugar-PTS)가 탄소 영양분과 그 대사물을 기반으로 세포 내에서 다양한 생리 기능을 하는 것처럼 PTSNtr 또한 균주의 생장 환경에 따라 다양한 생리 조절 메커니즘을 갖는다. 최근에는 질소/탄소 대사, K⁺ 농도 조절, 병원성 조절을 포함해서 다양한 PTSNtr의 최종 인산 수용체인 EIIANtr의 세포 전체적인 조절 메커니즘에 대한 연구가 진행되어왔다. 해당 시스템을 보유한 균주의 다양성에 따라, EIIANtr에 의한 조절 작용을 매개로 한 다양한 표현형이 보고되었으며, 몇몇 조절 기작의 분자적 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 본 총설은 특정 환경 조건에 반응하여 다양한 종에서 나타나는 EIIANtr의 조절에 의한 표현형과, 해당 조절 메커니즘에 대한 최근의 발견을 정리한다.

Acknowledgments

This work was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Science, ICT and Future Planning (NRF-2022R1A2B5B02002256, NRF-2022R1A4A1025913, and NRF-2020M3A9H5104235 to E.-J.L.) and a grant from Korea University.

Conflict of Interest

Eun-Jin Lee is an Associate Editor of KJM. She was not involved in the review process of this article. Also, authors have no conflict of interest to report.

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