PIIシグナル伝達タンパク質GlnKは、Corynebacterium glutamicumにおけるl-アルギニンによる-アセチル-l-グルタミン酸キナーゼのフィードバック阻害を緩和する

PII Signal Transduction Protein GlnK Alleviates Feedback Inhibition of -Acetyl-l-Glutamate Kinase by l-Arginine in Corynebacterium glutamicum.

• Meijuan Xu
• Mi Tang
• Jiamin Chen
• Taowei Yang
• Xian Zhang
• Minglong Shao
• Zhenghong Xu
• Zhiming Rao

抄録

PIIシグナル伝達タンパク質は、細菌、古細菌、植物などに普遍的に存在し、窒素代謝の制御に重要な役割を果たしています。しかし、PIIタンパク質の生物学的機能や制御標的に関する研究はまだ限られています。本研究では、PII タンパク質である GlnK（CgGlnK）の過剰発現により、L-アルギニンの収量が増加することを実験的に明らかにした。また、CgGlnKとCgNAGKの結合界面を解析したところ、CgGlnKのBループとTループは主にCgNAGKのCドメインとNドメインと相互作用していることが示唆された。さらに、CgGlnKのF11、R47、K85は疎水性相互作用やH結合を介してCgNAGKと相互作用する重要な結合部位であることが確認され、これらの相互作用が複合体の安定性維持にプラスの影響を与えていると考えられた。本研究は、非光合成微生物におけるPIIとNAGKの相互作用を明らかにし、コーリンバクテリアのアミノ酸生合成におけるPIIの制御機構をさらに解明するものである。コリネバクテリアは、l-グルタミン酸やl-アルギニンをはじめとする多様なアミノ酸を安全に生産しています。本研究では、PII タンパク質である GlnK がグルタミン酸とアルギニンの生合成に重要な役割を果たしていることを明らかにし、アルギニン生合成における CgGlnK の分子機構を明らかにすることで、CgGlnK と CgNAGK の新規な相互作用を明らかにしました。その結果、CgNAGK の l-アルギニン阻害は CgGlnK 添加により約 48.21%に緩和され、CgNAGK の半阻害定数は 1.4 倍に増加した。さらに、高収率のl-アルギニン産生株を過剰発現させ、5リットルのバイオリアクターで発酵させると、l-アルギニンの産生量が49.978g/リットルと著しく増加し、初期株と比較して約22.61％の増加を示した。以上のことから、本研究は、L-アルギニンの生合成を制御するための新たな方法を提供するものであると考えられる。

PII signal transduction proteins are ubiquitous and highly conserved in bacteria, archaea, and plants and play key roles in controlling nitrogen metabolism. However, research on biological functions and regulatory targets of PII proteins remains limited. Here, we illustrated experimentally that the PII protein GlnK (CgGlnK) increased l-arginine yield when was overexpressed in Data showed that CgGlnK regulated l-arginine biosynthesis by upregulating the expression of genes of the l-arginine metabolic pathway and interacting with -acetyl-l-glutamate kinase (CgNAGK), the rate-limiting enzyme in l-arginine biosynthesis. Further assays indicated that CgGlnK contributed to alleviation of the feedback inhibition of CgNAGK caused by l-arginine. analysis of the binding interface of CgGlnK-CgNAGK suggested that the B and T loops of CgGlnK mainly interacted with C and N domains of CgNAGK. Moreover, F11, R47, and K85 of CgGlnK were identified as crucial binding sites that interact with CgNAGK via hydrophobic interaction and H bonds, and these interactions probably had a positive effect on maintaining the stability of the complex. Collectively, this study reveals PII-NAGK interaction in nonphotosynthetic microorganisms and further provides insights into the regulatory mechanism of PII on amino acid biosynthesis in corynebacteria. Corynebacteria are safe industrial producers of diverse amino acids, including l-glutamic acid and l-arginine. In this study, we showed that PII protein GlnK played an important role in l-glutamic acid and l-arginine biosynthesis in Through clarifying the molecular mechanism of CgGlnK in l-arginine biosynthesis, the novel interaction between CgGlnK and CgNAGK was revealed. The alleviation of l-arginine inhibition of CgNAGK reached approximately 48.21% by CgGlnK addition, and the semi-inhibition constant of CgNAGK increased 1.4-fold. Furthermore, overexpression of in a high-yield l-arginine-producing strain and fermentation of the recombinant strain in a 5-liter bioreactor led to a remarkably increased production of l-arginine, 49.978 g/liter, which was about 22.61% higher than that of the initial strain. In conclusion, this study provides a new strategy for modifying amino acid biosynthesis in .

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