Межі в мікробіології

Гриби та їх взаємодія

Ця стаття є частиною Теми дослідження

Метаболізм сірки грибів - наслідки для вірулентності та можливості терапії Переглянути всі 6 статей

Редаговано
Хорхе Аміч

Університет Манчестера, Великобританія

Переглянуто
Фабіо Гсаллер

Інститут молекулярної біології Біологічного факультету Університету Інсбрука, Австрія

Івона Габріель

Гданський технологічний університет, Польща

Приналежності редактора та рецензентів є останніми, наданими в їхніх дослідницьких профілях Loop, і вони не можуть відображати їх ситуацію на момент огляду.

межі

  • Завантажити статтю
    • Завантажте PDF
    • ReadCube
    • EPUB
    • XML (NLM)
    • Додаткові
      Матеріал
  • Експортне посилання
    • EndNote
    • Довідковий менеджер
    • Простий текстовий файл
    • BibTex
ПОДІЛИТИСЯ НА

СТАТТЯ

  • Регулювання клітинної долі, Інститут науки про стовбурові клітини та регенеративної медицини (inStem), Бангалор, Індія

Дослідження з використанням грибкової моделі, Saccharomyces cerevisiae, відіграли важливу роль у вдосконаленні нашого розуміння метаболізму сірки в еукаріотів. Метаболіти сірки, зокрема метіонін та його похідні, індукують анаболічні програми в дріжджах і керують різними процесами, невід’ємними для метаболізму (одновуглецевий метаболізм, синтез нуклеотидів та окисно-відновний баланс). Таким чином, метіонін також пов'язує ці процеси з аутофагією та епігенетичною регуляцією. Пряма участь метаболітів, отриманих метіоніном, у різних хімічних галузях, таких як реакції транссульфурації та метилювання, відбувається завдяки елегантному розташуванню та безпечному поводженню сірки через ці молекули. У цьому міні-огляді ми висвітлюємо дослідження на дріжджах, які розкривають, як ця амінокислота займає унікальне місце як у метаболізмі, так і в передачі сигналів клітин, і ілюструємо рішення долі клітини, якими керує метіонін. Ми далі обговорюємо взаємозв'язок між метаболізмом сірки та НАДФН та виділяємо критичні вузли навколо метаболізму метіоніну, які є перспективними для розвитку протигрибкових препаратів.

Вступ

Для більшості дослідників метіонін незмінно пов’язаний із початком трансляції білка, оскільки це, як правило, перша амінокислота, кодована в поліпептидному ланцюзі. Однак цей метаболіт є біохімічно унікальним серед 20 природних амінокислот. Тільки метіонін і цистеїн містять сірку в своїх бічних ланцюгах. Хоча цистеїн має реактивну тіолову групу, яка впливає на окисно-відновний баланс і викликає токсичність при більш високих концентраціях (Deshpande et al., 2017), група сірки в метіоніні однозначно захищена, що робить її окисно-відновлювальною нечутливою. Крім того, маскування сірки в метіоніні елегантно використовується для ще однієї функції, яка полягає у перенесенні метильної групи. Відповідні перетворення метіоніну у його похідні [насамперед S-аденозилметіонін (SAM)] та їх зв’язки з ключовими метаболічними та сигнальними шляхами показують, що роль метіоніну не обмежується лише ініціацією трансляції (Рисунки 1А, Б). Цей міні-огляд зосереджується на ролі метіоніну як анаболічного сигналу.

Фігура 1. Метаболізм метіоніну та його зв’язки з результатами сигналізації та проліферації клітин. (A) Зв'язки циклу метіоніну з одним метаболізмом вуглецю. SAM, S-аденозилметионін; SAH, S-аденозил гомоцистеїн; ТГФ, тетрагідрофолат. (B) Поглинання метаболітів сірки, їх засвоєння та утилізація. Показано зв'язування метіоніну та його похідних з різними клітинними процесами, а отже, і з кінцевими клітинними результатами.

Біосинтез метіоніну, його взаємоперетворення в інші метаболіти та шляхи метаболізму

S-аденозилметіонін (SAM), який є універсальним донором метильної групи, є, мабуть, найважливішим похідним метіоніну. Коли метильна група SAM переноситься до різних акцепторів, SAM перетворюється на S-аденозил гомоцистеїн (SAH), який згодом може бути перетворений в гомоцистеїн і, нарешті, знову в метіонін, завершуючи цикл (Малюнок 1А). Таким чином, цикли метіоніну/SAM, реакцій транссульфурації та фолатів тісно взаємопов’язані, і велика кількість метіоніну/цистеїну відображається на підвищених рівнях SAM (Sutter et al., 2013; Laxman et al., 2014; Deshpande et al., 2017). Нарешті, метіонін опосередковано підтримує синтез двох інших важливих молекул, тобто глутатіону (GSH) та поліамінів. Цистеїн безпосередньо входить в основу GSH, а SAM потрібен для синтезу поліамінів (рис. 1B). Оскільки всі ці метаболіти відіграють вирішальну роль у підтримці клітинного гомеостазу і є критично важливими для зростання, тому вони гостро відчуваються і викликають сигнальну реакцію, як описано далі.

Зондування/сигналізація метіоніну та його роль у регулюванні перекладу з метаболізмом

Зондування метіоніну: зв’язки з перекладом

Метіонін і метаболізм

Зондування метіоніну: зв’язки з TOR та аутофагією

Метіонін як сигнал для зростання

Зв’язок метаболізму метіоніну з НАДФН

Орієнтація на метаболізм метіоніну або датчики для нових протигрибкових засобів

Малюнок 2. Орієнтація на метаболізм метіоніну для розвитку протигрибкових препаратів. Показані потенційні стратегії розвитку протигрибкових препаратів, а також критичні вузли метаболізму метіоніну.

Висновки

Дослідження з використанням бутонів-дріжджів допомогли зрозуміти роль метіоніну як потужної ознаки росту. Ці дослідження виявили близькі зв'язки метіоніну з метаболічним контролем, передачею сигналів та трансляцією (окрім простого ініціювання трансляції). Це все захоплюючі напрямки базових досліджень, і дослідження на дріжджах, швидше за все, розкриють більше секретів того, як сприймається метіонін і як він контролює обмін речовин і ріст. Що важливо, попередні дослідження виявили критичну залежність кількох грибів від метіоніну та його метаболітів, що припускає можливий вузол для розробки нових протигрибкових препаратів.

Внески автора

Усі перелічені автори внесли значний, прямий та інтелектуальний внесок у роботу та схвалили її до публікації.

Фінансування

SL вітає підтримку стипендії Wellcome - DBT India Alliance (IA/I/14/2/501523) та інституційну підтримку від inStem та Департаменту біотехнологій уряду Індії. AW підтверджує підтримку зв’язувальної стипендії (від inStem) та Національної постдокторської стипендії DST-SERB (PDF/2015/000225).

Конфлікт інтересів

Автори заявляють, що дослідження проводилось за відсутності будь-яких комерційних або фінансових відносин, які можна трактувати як потенційний конфлікт інтересів.

Скорочення

SAM, S-аденозил метіонін; SAH, S-аденозил гомоцистеїн; ТГФ, тетрагідрофолат; ППС, Пентозофосфатний шлях; GSH, глутатіон.

Список літератури

Breillout, F., Antoine, E., and Poupon, M. F. (1990). Метіонінова залежність злоякісних пухлин: можливий підхід до терапії. J. Natl. Інститут раку. 82, 1628–1632. doi: 10.1093/jnci/82.20.1628

Cai, L., Sutter, B. M., Li, B., і Tu, B. P. (2011). Ацетил-КоА індукує ріст і проліферацію клітин, сприяючи ацетилюванню гістонів у генах росту. Мол. Клітинка 42, 426–437. doi: 10.1016/j.molcel.2011.05.004

Кемпбелл, К., Вовінкель, Дж., Келлер, М. А., і Ральсер, М. (2016). Метаболізм метіоніну змінює стійкість до окисного стресу через пентозофосфатний шлях. Антиоксид. Сигнал відновлення. 24, 543–547. doi: 10.1089/ars.2015.6516

Кандіраччі, J., Migeot, V., Chionh, Y.-H., Bauer, F., Brochier, T., Russell, B., et al. (2019). Взаємна регуляція передачі сигналів TORC та модифікацій тРНК за допомогою Elongator посилює залежність від поживних речовин клітинної долі. Наук. Адв. 5: eaav0184. doi: 10.1126/sciadv.aav0184

Чен, Л., Чжан, З., Хосіно, А., Чжен, Х. Д., Морлі, М., Арані, З. та ін. (2019). Продукція НАДФН окисним пентозо-фосфатним шляхом підтримує метаболізм фолатів. Нат. Метаб 1, 404–415. doi: 10.1038/s42255-019-0043-x

Черест Х., Томас Д. та Сурдін-Кержан Ю. (1993). Біосинтез цистеїну в Saccharomyces cerevisiae відбувається через транссульфураційний шлях, який був побудований шляхом рекрутингу ферментів. Дж. Бактеріол. 175, 5366–5374. doi: 10.1128/jb.175.17.5366-5374.1993

Дешпанде А., Бхатія М., Лаксман С. та Баххават А. (2017). Уловлювання тіолу та метаболічний перерозподіл метаболітів сірки дозволяють клітинам подолати перевантаження цистеїном. Мікроб. Клітинка 4, 112–126. doi: 10.15698/mic2017.04.567

Ігл, Х. (1959). Метаболізм амінокислот у культурах клітин ссавців. Наука 130, 432–437. doi: 10.1126/science.130.3373.432

Фінкельштейн, Дж. Д. (1990). Обмін метіоніну у ссавців. Дж. Нутр. Біохім. 1, 228–237. doi: 10.1016/0955-2863 (90) 90070-2

Гао, X., Сандерсон, С. М., Дай, З., Рід, М. А., Купер, Д. Е., Лу, М. та ін. (2019). Дієтичний метіонін впливає на терапію на моделях раку миші та змінює метаболізм людини. Природа 572, 397–401. doi: 10.1038/s41586-019-1437-3

Gu, X., Orozco, J. M., Saxton, R. A., Condon, K. J., Liu, G. Y., Krawczyk, P. A., et al. (2017). SAMTOR - це сенсор S-аденозилметионіну для шляху mTORC1. Наука 358, 813–818. doi: 10.1126/science.aao3265

Гупта, Р., Вальвекар, А. С., Лянг, С., Рашида, З., Шах, П., і Лаксман, С. (2019). Модифікація тРНК врівноважує метаболізм вуглецю та азоту, регулюючи гомеостаз фосфатів. elife 8: e44795. doi: 10.7554/eLife.44795

Галперн, Б. С., Кларк, Р. Р., Харді, Д. Н., Гальперн, Р. М., і Сміт, Р. А. (1974). Вплив заміщення метіоніну гомоцистином на виживання злоякісних та нормальних клітин дорослих ссавців у культурі. Proc. Natl. Акад. Наук. 71, 1133–1136. doi: 10.1073/pnas.71.4.1133

Jastrzębowska, K., та Gabriel, I. (2015). Інгібітори біосинтезу амінокислот як протигрибкові засоби. Амінокислоти 47, 227–249. doi: 10.1007/s00726-014-1873-1

Калета, К., Шаубле, С., Рінас, У., і Шустер, С. (2013). Метаболічні витрати на виробництво амінокислот і білків у Росії кишкова паличка. Біотехнол. J. 8, 1105–1114. doi: 10.1002/biot.201200267

Komninou, D., Leutzinger, Y., Reddy, B. S., and Richie, J. P. Jr. (2006). Обмеження метіоніну пригнічує канцерогенез товстої кишки. Nutr. Рак 54, 202–208. doi: 10.1207/s15327914nc5402_6

Крішна С. та Лаксман С. (2018). Мінімальна модель бістабільності “push-pull” пояснює коливання між спокійними та проліферативними станами клітин. Мол. Біол. Клітинка 29, 2243–2258. doi: 10.1091/mbc.E18-01-0017

Лаксман, С., Саттер, Б. М., Ши, Л., і Ту, Б. П. (2014). Npr2 інгібує TORC1 для запобігання неправильному використанню глутаміну для біосинтезу метаболітів, що містять азот. Наук. Сигнал. 7: ra120. doi: 10.1126/scisignal.2005948

Лаксман, С., Саттер, Б. М., Ву, X., Кумар, С., Го, X., Труджіян, Д. С. та ін. (2013). Амінокислоти сірки регулюють трансляційну здатність та метаболічний гомеостаз за допомогою модуляції тіоляції тРНК. Клітинка 154, 416–429. doi: 10.1016/j.cell.2013.06.043

Лаксман С. та Ту Б. П. (2011). Кілька білків, асоційованих з TORC1, регулюють залежну від азоту голодну клітинну диференціацію в Saccharomyces cerevisiae. PLoS Один 6: e26081. doi: 10.1371/journal.pone.0026081

Lee, B. C., Kaya, A., and Gladyshev, V. N. (2016). Обмеження метіоніну та контроль тривалості життя. Енн Н. Й. акад. Наук. 1363, 116–124. doi: 10.1111/ня.12973

Lee, B. C., Kaya, A., Ma, S., Kim, G., Gerashchenko, M. V., Yim, S. H., et al. (2014). Обмеження метіоніну продовжує тривалість життя Drosophila melanogaster в умовах низького амінокислотного статусу. Нат. Комун. 5: 3592. doi: 10.1038/ncomms4592

Леві Х. М., Монтаньєс Г., Мерфі Е. А. та Дан М. С. (1953). Вплив етіоніну на ріст пухлини та амінокислоти печінки у щурів. Рак Res. 13, 507–512. Доступно за адресою: http://cancerres.aacrjournals.org/content/13/7_Part_1/507.abstract

Локасейл, Дж. В. (2013). Серин, гліцин та одновуглецеві одиниці: метаболізм раку в повному колі. Нат. Преподобний Рак 13, 572–583. doi: 10.1038/nrc3557

Mehrmohamadi, M., Mentch, L. K., Clark, A. G., and Locasale, J. W. (2016). Інтегративне моделювання метилювання ДНК пухлини кількісно визначає внесок метаболізму. Нат. Комун. 7: 13666. doi: 10.1038/ncomms13666

Orentreich, N., Matias, J. R., DeFelice, A., and Zimmerman, J. A. (1993). Низький рівень прийому метіоніну щурами продовжує тривалість життя. Дж. Нутр. 123, 269–274. doi: 10.1093/jn/123.2.269

Pietrocola, F., Galluzzi, L., Bravo-San Pedro, J. M., Madeo, F., and Kroemer, G. (2015). Ацетиловий кофермент А: центральний метаболіт і другий вісник. Cell Metab. 21, 805–821. doi: 10.1016/j.cmet.2015.05.014

Saint-Macary, M.E., Barbisan, C., Gagey, M.J., Frelin, O., Beffa, R., Lebrun, M.H., et al. (2015). Біосинтез метіоніну має важливе значення для зараження рибним вибуховим грибком Magnaporthe oryzae. PLoS Один 10: e0111108. doi: 10.1371/journal.pone.0111108

Сандерсон, С. М., Гао, X., Дай, З. та Локасейл, Дж. В. (2019). Метаболізм метіоніну у здоров’ї та раку: зв’язок дієти та точної медицини. Нат. Преподобний Рак 19, 625–637. doi: 10.1038/s41568-019-0187-8

Schrevens, S., Van Zeebroeck, G., Riedelberger, M., Tournu, H., Kuchler, K., і Van Dijck, P. (2018). Метіонін необхідний для опосередкованого цАМФ-РКА морфогенезу та вірулентності Candida albicans. Мол. Мікробіол. 108, 258–275. doi: 10.1111/mmi.13933

Сугімура Т., Бірнбаум, С. М., Вініц, М., і Грінштейн, Дж. П. (1959). Кількісні харчові дослідження за допомогою водорозчинних, хімічно визначених дієт. VIII. Примусове годування дієтами, кожна з яких не має однієї необхідної амінокислоти. Арх. Біохім. Біофіза. 81, 448–455. doi: 10.1016/0003-9861 (59) 90225-5

Саттер, Б. М., Ву, X., Лаксман, С., і Ту, Б. П. (2013). Метіонін пригнічує аутофагію та сприяє зростанню, викликаючи SAM-реагуюче метилювання PP2A. Клітинка 154, 403–415. doi: 10.1016/j.cell.2013.06.041

Томас Д., Черест Х. та Сурдін-Кержан Ю. (1991). Ідентифікація структурного гена глюкозо-6-фосфатдегідрогенази у дріжджах. Інактивація призводить до харчових потреб в органічній сірці. EMBO J. 10, 547–553. Доступно за адресою: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2001672

Томас Д. та Сурдін-Кержан Ю. (1997). Метаболізм амінокислот сірки в Росії Saccharomyces cerevisiae. Мікробіол. Мол. Біол. Преподобний. 61, 503–532.

Троен, А. М., Френч, Е. Е., Робертс, Дж. Ф., Селхуб, Дж., Ордовас, Дж. М., Парнелл, Л. Д. та ін. (2007). Модифікація тривалості життя глюкозою та метіоніном у Drosophila melanogaster годували хімічно визначеною дієтою. Вік 29, 29–39. doi: 10.1007/s11357-006-9018-4

Вальвекар А. С., Срінівасан Р., Гупта Р. та Лаксман С. (2018). Метіонін координує ієрархічно організовану анаболічну програму, що забезпечує розповсюдження. Мол. Біол. Клітинка 29, 3183–3200. doi: 10.1091/mbc.E18-08-0515

Ву, X. та Ту, Б. П. (2011). Вибіркове регулювання аутофагії комплексом Iml1-Npr2-Npr3 за відсутності азотного голодування. Мол. Біол. Клітинка 22, 4124–4133. doi: 10.1091/mbc.E11-06-0525

Ye, C., Sutter, B. M., Wang, Y., Kuang, Z., і Tu, B. P. (2017). Метаболічна функція метилювання фосфоліпідів та гістонів. Мол. Клітинка 66, 180–193.e8. doi: 10.1016/j.molcel.2017.02.026

Ключові слова: метіонін, S-аденозилметіонін, рішення клітинної долі, сахароміцети, метаболізм, пентозофосфатний шлях, NADPH, відновний біосинтез

Цитата: Вальвекар А.С. та Лаксман С (2019) Метіонін в основі анаболізму та сигналізації: перспективи від окуліруючих дріжджів. Спереду. Мікробіол. 10: 2624. doi: 10.3389/fmicb.2019.02624

Отримано: 23 вересня 2019 р .; Прийнято: 28 жовтня 2019 р .;
Опубліковано: 15 листопада 2019 р.

Хорхе Аміч, Університет Манчестера, Великобританія

Фабіо Гсаллер, Медичний університет Інсбрука, Австрія
Івона Габріель, Гданський технологічний університет, Польща

† Поточна адреса: Адхіш С. Вальвекар, Люксембурзький центр системної біомедицини, Університет Люксембургу, Бельво, Люксембург