박테리아에 대한 mRNA 번역 및 붕괴 아틀라스

자연 미생물학 8권, 1123~1136페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

메신저 RNA 안정성의 조절은 박테리아에서 프로그래밍된 유전자 발현에 중추적인 역할을 하며 수많은 분자 메커니즘에 의해 달성됩니다. 5' 단일인산화된 mRNA 붕괴 중간체(5'P)의 대량 시퀀싱을 통해 우리는 공동번역 mRNA 분해가 그람 양성균과 음성균 모두에서 보존된다는 것을 보여줍니다. 우리는 5'-3' 엑소뉴클레아제를 가진 종에서 엑소리보뉴클레아제 RNase J가 후행 리보솜을 추적하여 리보솜의 5' 위치에 대한 생체 내 단일 뉴클레오티드 발자국을 생성한다는 것을 보여줍니다. 5'-3' 엑소뉴클레아제가 없는 다른 종에서는 리보솜 위치가 핵내 분해 절단 부위를 변경합니다. 우리의 메타디그라돔(5'P degradome) 시퀀싱 접근법을 사용하여 Bacillus subtilis, Escherichia coli, Synechocystis spp.를 포함한 96종의 5'P mRNA 붕괴 중간체를 특성화합니다. Prevotella copri 및 스트레스와 약물 치료에 대한 코돈 및 유전자 수준 리보솜 지연 반응을 식별합니다. 우리는 또한 복잡한 임상 및 환경 미생물군집에 5'P 시퀀싱을 적용하고 메타데그라돔 시퀀싱이 약물 또는 환경 교란에 대한 반응의 종별 전사 후 특성을 신속하게 제공한다는 것을 입증합니다. 마지막으로 우리는 박테리아의 RNA 분해 메커니즘을 분석할 수 있도록 96종에 대한 분해 지도를 생성합니다. 우리의 연구는 배양 불가능한 종과 복잡한 미생물 군집의 전사 후 조절을 조사하기 위해 메타데그라돔 시퀀싱을 적용할 수 있는 길을 열었습니다.

메신저 RNA(mRNA) 분해와 번역은 밀접하게 연결되어 있으며 리보솜 역학의 변화는 메신저 RNA 안정성을 직접 조절합니다1,2,3,4. 진핵생물에서 단백질 합성과 mRNA 붕괴는 5'-3' 엑소뉴클레아제 Xrn1에 의해 연결되며, 이는 마지막 번역 리보솜을 따라가며 해당 위치의 생체 내 발자국을 생성합니다5,6. 박테리아의 RNA 분해는 변화하는 환경에 대한 적응을 가능하게 하지만 박테리아의 RNA 분해에 대한 우리의 이해는 RNA 분해 메커니즘의 다양성으로 인해 방해를 받았습니다. 박테리아 RNA 분해는 endonucleolytic cleavage에 이어 3'-5' 분해를 통해 시작되는 것으로 생각되었습니다7,8,9,10. Bacillus subtilis11 및 다른 종9의 동족체에서 RNase J의 5'-3' RNA 엑소핵산분해 활성이 보고되었고 번역 효율이 박테리아의 mRNA 안정성을 조절하는 것으로 알려져 있지만3,12 우리는 공동 번역 mRNA 분해가 어떻게 박테리아의 mRNA 안정성을 조절하는지 이해하지 못합니다. 분해 또는 이 과정이 다양한 mRNA 분해 기계를 가진 종에서 다른지 여부.

박테리아의 RNA 생물학 조절을 더 잘 이해하기 위해 우리는 최적화된 5' 단일인산화(5'P) mRNA 붕괴 중간체(degradome) 시퀀싱(5PSeq)을 사용하여 참조 박테리아 균주 및 복잡한 미생물군집에서 mRNA 분해를 조사했습니다. 우리는 자연적으로 발생하는 5'P가 생체 내 리보솜 역학을 반영하는 정도를 조사하고 기준 균주 및 복잡한 대변 배양에서 환경 스트레스 및 약물 치료에 반응하여 5'P 분해를 특성화했습니다. 우리는 모델 유기체인 B. subtilis를 포함하여 배양 가능한 종과 배양 불가능한 종 96종의 mRNA 분해 패턴을 분석하고 그 결과를 여기에 보고합니다.

우리는 최적화된 5PSeq5,13,14,15(보충 표 1 및 2 및 방법)를 사용하여 개별 종 및 복잡한 박테리아 군집에서 5'P mRNA 분해를 분석했습니다. 먼저 우리는 5'-3' 붕괴가 있는 종에서 개방형 판독 프레임(ORF)의 5'P 분해를 조사했습니다. B. subtilis는 5'-3' 엑소뉴클레아제 RNase J11을 암호화합니다. RNase J는 진핵생물의 XRN1과 상동성이 아니지만, 우리는 5'-3' 엑소뉴클레아제 활성을 통해 효모의 XRN1과 유사하게 동시 번역 붕괴를 겪고 있는 mRNA의 마지막 번역 리보솜을 '추적'할 수 있다는 가설을 세웠습니다5,16. 우리의 분석은 메타 유전자와 단일 유전자 수준 모두에서 각 코돈 (F1)의 두 번째 뉴클레오티드에 대한 5'P 선호도와 함께 5'P 카운트의 3 뉴클레오티드 (nt) 주기성 (그림 1a)을 보여주었습니다 (그림 1a) 및 확장 데이터 그림 1a). 5'P 분해 중간체는 느린 시작 및 종료 리보솜에서 예상되는 것처럼 번역 시작 및 중지 사이트의 상류에 각각 11 및 14nt를 축적합니다. 이 패턴은 신진 효모5,15의 시작 부분에서 -14nt, 정지 부분에서 -17nt 위치와 유사합니다. 이 3nt 더 작은 보호 크기는 진핵생물과 박테리아 사이의 리보솜 크기의 알려진 차이로 설명될 수 있습니다. 우리는 5PSeq를 자당 밀도 구배의 폴리리보솜 분획에 적용하여 5'P 붕괴 중간체와 리보솜 번역의 연관성을 확인하고 유사한 패턴을 관찰했습니다 (확장 데이터 그림 1b). 생물학적 기원을 입증하기 위해, 우리는 동일한 RNA의 시험관 내 단편화가 관찰된 생체 내 3nt 주기성을 >99.5%(FFT(Fast Fourier Transform) 신호가 0.11로 떨어짐) 및 시작/중지 관련 발가락 인쇄에 의해 제거되었음을 확인했습니다(그림 .1a). 마지막으로, 이 과정에서 RNase J의 역할이 있는지 조사하기 위해 B. subtilis RNase JA 결실(rnjA) 균주에서 분석을 반복했습니다. 이는 RNase JA 활성이 동시 번역 mRNA 분해로 인해 관찰된 5'P 분포 패턴을 뒷받침한다는 것을 보여주었습니다(그림 1b).