새로운 N의 식별 및 생화학적 특성 규명

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16991(2022) 이 기사 인용

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N-아세틸글루코사민(GlcNAc)은 당단백질 및 세포벽과 같은 글리칸의 핵심 구성 요소입니다. GlcNAc 키나제는 인산염을 GlcNAc로 전달하여 글리칸 합성의 전구체가 될 수 있는 GlcNAc-6-인산염을 생성하는 효소입니다. GlcNAc 키나제는 병원성 효모, 인간 및 박테리아를 포함한 광범위한 유기체에서 발견되었습니다. 그러나 이 효소는 진핵생물 모델인 Saccharomyces cerevisiae에서는 발견된 적이 없습니다. 이 연구에서는 S. cerevisiae의 첫 번째 GlcNAc 키나제가 확인되어 Ngk1로 명명되었습니다. GlcNAc 및 포도당에 대한 Ngk1의 Km 값은 각각 0.11 mM 및 71 mM이었는데, 이는 Ngk1이 헥소키나제와 달리 GlcNAc에 대해 높은 친화력을 가지고 있음을 시사합니다. Ngk1은 다양한 뉴클레오시드 삼인산, 즉 ATP, CTP, GTP, ITP 및 UTP를 포스포릴 공여체로 사용하여 GlcNAc 인산화 활성을 보여주었습니다. Ngk1은 다른 효소와의 아미노산 서열 동일성이 약 20% 이하에 불과하므로 계통발생적으로 알려진 효소와는 거리가 멀습니다. S. cerevisiae에서 Ngk1의 생리학적 역할도 논의됩니다.

원핵생물과 진핵생물 모두에 편재하는 탄수화물인 N-아세틸글루코사민(GlcNAc)은 박테리아의 펩티도글리칸과 효모의 키틴을 포함하여 N-당단백질, GPI 앵커, 세포벽과 같은 글리칸의 필수 구성 요소입니다1,2,3. 글리칸 생합성의 경우 유리딘 디포스페이트 N-아세틸글루코사민(UDP-GlcNAc)은 원핵생물과 진핵생물 모두에서 필수적인 기질입니다. 왜냐하면 이 뉴클레오티드 당의 GlcNAc 부분이 글리코실트랜스퍼라제에 의해 글리칸에 통합되기 때문입니다2,3. 일반적으로 UDP-GlcNAc는 해당과정 중간체인 과당-6-인산(Fru-6-P)으로부터 합성되며, 이는 글루코사민-6-P3으로 전환될 수 있습니다. 진핵생물에서 글루코사민-6-P는 아세틸화되어 GlcNAc-6-P가 되고, 이어서 GlcNAc-1-P3으로 이성질화됩니다. 반면 원핵생물에서는 글루코사민-6-P가 일차적으로 글루코사민-1-P로 이성질화된 후 아세틸화되어 GlcNAc-1-P3,4가 됩니다. 마지막 단계에서 GlcNAc-1-P는 원핵생물과 진핵생물 모두에서 유리딜화에 의해 UDP-GlcNAc로 변환됩니다3,4.

GlcNAc 키나제(EC 2.7.1.59)는 박테리아, 병원성 효모, 식물 및 동물을 포함한 광범위한 유기체에서 발견되는 GlcNAc 대사 효소입니다3,4,5,6,7,8. 이 효소는 ATP의 감마-인산기를 GlcNAc의 C-6에 있는 수산기로 전달하여 GlcNAc-6-P를 생성합니다. GlcNAc 키나제는 구조적으로 헥소키나제(EC 2.7.1.1)와 관련이 있습니다. 이 헥소키나제는 해당과정의 첫 단계에서 Glc-6-P를 생성하기 위해 포도당(Glc)에 우선적으로 작용하는 또 다른 유형의 당 키나제입니다. 이러한 효소는 일반적으로 ATPase를 가지고 있기 때문입니다. 도메인9,10. 포유류에서 GlcNAc 키나제는 UDP-GlcNAc11의 전구체가 될 수 있는 GlcNAc-6-P를 생성하기 때문에 UDP-GlcNAc 생합성의 구제 경로를 제공하는 효소로 알려져 있습니다. 대조적으로, Fru-6-P의 생합성을 위한 GlcNAc 활용에서 대장균의 GlcNAc 키나제인 NagK의 역할은 연구되었습니다. 해당과정의 에너지원4. 유사하게, 병원성 효모 Candida albicans의 GlcNAc 키나제인 CaNag5도 에너지원으로 Fru-6-P를 생성하기 위한 GlcNAc 활용에 관여하는 것으로 확인 및 보고되었습니다3,5,6. 박테리아와 마찬가지로 C. albicans는 탄소원인 GlcNAc에서 자랄 수 있습니다. 실제로 C. albicans에는 GlcNAc를 Fru-6-P로 전환시키는 경로가 있는데, 이는 GlcNAc 키나제(CaNAG5)와 GlcNAc-6-P 데아세틸라제(CaNAG2)로 구성된 GlcNAc 대사 효소의 유전자 클러스터와 글루코사민-6-P 데아미나제(CaNAG1)는 E. coli4의 이들 효소와의 서열 유사성으로부터 확인되었습니다. 이들 유전자의 파괴는 탄소원인 GlcNAc에서의 C. albicans의 성장을 지연시키는 것으로 나타났습니다.

C. albicans와 달리 신진 효모 Saccharomyces cerevisiae는 탄소원인 GlcNAc에서 자라지 않습니다3,5,6. 또한 CaNAG5, CaNAG2 또는 CaNAG1과 유사한 유전자는 S. cerevisiae6의 전체 게놈에 보존되지 않습니다. 따라서 S. cerevisiae에는 이러한 GlcNAc 대사 효소가 없는 것으로 간주되어 왔습니다. S. cerevisiae에서는 3개의 헥소키나제인 Hxk1, Hxk2 및 Glk1의 존재가 1980년대부터 알려져 왔습니다12. S. cerevisiae는 Hxk1, Hxk2 및 Glk1 이외의 다른 헥소키나제를 보유하지 않는 것으로 수십 년 동안 믿어져 왔습니다. 그러나 우리는 두 개의 다른 헥소키나제 유사 유전자(그러나 그 기능은 알려지지 않음)인 EMI2와 YLR446W의 존재를 주목하고 집중했습니다. 이전 연구에서 Emi2 단백질은 이전에 알려진 Hxk1, Hxk2 및 Glk113 외에 S. cerevisiae의 네 번째 새로운 헥소키나제로 확인되었습니다. 본 연구에서는 표준 유전자 이름이 없는 또 다른 헥소키나제 유사 유전자인 YLR446W(체계명)에 초점을 맞춰 이것이 이 모델 유기체에서 추가적인 새로운 헥소키나제인지 여부를 조사했습니다. 예기치 않게 우리는 YLR446W가 다른 유기체의 알려진 GlcNAc 키나제와 낮은 서열 유사성을 보이는 새로운 GlcNAc 키나제를 인코딩한다는 것을 발견했습니다.