大腸菌のフラックスセンサーによる炭素基質の階層的・同時利用の制御（英文

Regulation underlying hierarchical and simultaneous utilization of carbon substrates by flux sensors in Escherichia coli.

• Hiroyuki Okano
• Rutger Hermsen
• Karl Kochanowski
• Terence Hwa

抄録

多くの微生物は、特定の炭素基質を「階層的」に消費することに代表されるように、栄養選好性を示している。本研究では、どのような生理的条件下で階層的な基質利用が行われているのか、また、その実行メカニズムを系統的に調べている。大腸菌の利用階層は、基質の同一性ではなく、炭素取り込みフラックスによって順序付けられていることを示す。グリセロールの取り込みを詳細に調べたところ、他の糖鎖基質の取り込み流束がグリセロールのみで生育したときの流入量に設定された閾値を超えると、グリセロールの取り込みが完全に抑制されることがわかった。この閾値以下では、限られたグリセロールの取り込みは、総炭素取り込みが閾値で維持されるような"補充"されています。この挙動は、cAMP-CRPのシグナリングを媒介する総フラックスのフィードバックに起因するだけでなく、上部解糖フラックスを感知し、グリセロールの取り込みが他の解糖基質ではなく、gluconeogenicのものに延期することを保証するレギュレータフルクトース1,6-二リン酸、による阻害を必要とします。定量モデルは、主要な変異体のものを含め、観察された利用パターンのすべてを再現する。提案されたメカニズムは、取り込み酵素の差動制御に依存しており、特定のオペロン組織を必要とする。このオペロン組織は、いくつかの取り込み系について、近縁種間で保存されていることが判明したことから、様々な微生物による階層的な基質利用のための同様のメカニズムが展開されていることが示唆された。

Many microorganisms exhibit nutrient preferences, exemplified by the 'hierarchical' consumption of certain carbon substrates. Here, we systematically investigate under which physiological conditions hierarchical substrate utilization occurs and its mechanisms of implementation. We show utilization hierarchy of Escherichia coli to be ordered by the carbon-uptake flux rather than the identity of the substrates. A detailed study of glycerol uptake finds that it is fully suppressed if the uptake flux of another glycolytic substrate exceeds a threshold, which is set to the influx obtained when grown on glycerol alone. Below this threshold, limited glycerol uptake is 'supplemented' such that the total carbon uptake is maintained at the threshold. This behaviour results from total-flux feedback mediated by cAMP-Crp signalling but also requires inhibition by the regulator fructose 1,6-bisphosphate, which senses the upper-glycolytic flux and ensures that glycerol uptake defers to other glycolytic substrates but not to gluconeogenic ones. A quantitative model reproduces all of the observed utilization patterns, including those of key mutants. The proposed mechanism relies on the differential regulation of uptake enzymes and requires a specific operon organization. This organization is found to be conserved across related species for several uptake systems, suggesting the deployment of similar mechanisms for hierarchical substrate utilization by a spectrum of microorganisms.