Actinorhodin production is markedly enhanced when an acidic pH shock is applied to a surface-grown culture of Streptomyces coelicolor A3(2). For an in-depth study of this phenomenon, transcriptional analyses by DNA microarras, and RT-PCR and proteomic analysis methods were performed. Investigated were expression levels of the regulators and enzymes responsible for signal transduction and actinorhodin biosynthesis, and enzymes involved in some major metabolic pathways such as glycolysis, the tricarboxylic acid cycle, fatty acid metabolism, and the pentose phosphate pathway (PPP). In addition, the effects of pH shock on the stress response related genes to investigate the relationship between acidic pH shock and other shocks, through transcriptional and proteomic analysis also.
The regulators PkaG, AfsR, AfsS and/or another unidentified regulator and ActII-ORF4, in sequence, were observed to be activated by pH shock. In addition, a number of genes associated with actinorhodin production and secretion, and the major central metabolic pathways investigated were observed to be up-regulated with pH shock. Fatty acid degradation was particularly promoted by pH shock, while fatty acid biosynthesis, consuming acetyl-CoA was suppressed; it is envisaged that this enriches the precursor pool (acetyl-CoA) and building blocks for actinorhodin biosynthesis. Furthermore, glucose 6-phosphate dehydrogenases (zwf and zwf2), key enzymes to initiate the PPP, were highly activated by pH shock, enriching the NADPH pool for biosynthesis in general. It is deduced that these metabolic changes caused by pH shock have positively contributed to the stimulation of actinorhodin biosynthesis in a concerted manner.
A number of shock related proteins were observed to be induced by acidic pH shock. Well known sigma factors of sigH (by heat shock), sigR (by oxidative stress), and sigB (by osmotic stress) which play a major role in the secondary metabolism, were all strongly upregulated in the pH-shocked culture. DnaK family and some chaperones including GroEL2 were also observed to be upregulated in the pH-shocked culture, while their repressor of hspR was strongly downregulated. The cold shock proteins, oxidative stress response proteins such as thioredoxin, catalase, superoxide dismutase, and peroxidase, and osmotic stress response proteins such as vesicle synthesis genes were also observed to be activated by pH shock in overall. From these observations, it is considered that the acidic pH shock is a master stress to influence each of the major signal/stress transferring systems such as heat/cold, oxidative, and osmotic stress.
S. coelicolor A3(2) M145의 배양중에 산충격을 주게 되면 TES 버퍼를 사용하여 산도를 중성으로 맞추어 배양한 경우 (-control)에 비해 액티노로딘의 생산이 눈에 띄게 증가됨을 본 연구를 통해 확인하였다. 심지어 산충격 없이 단순히 버퍼를 사용하지 않아 배양중에 배지내 산도가 자연스럽게 떨어졌다 회복되는 경우 (+control)에도 액티노로딘의 생산이 상당한 증가됨이 관찰되었다. 본 연구에서는 산충격이 세포 대사 전반에 미치는 영향을 조사하기 위해 DNA의 전사 단계 분석과 단백질 발현 분석을 복합적으로 함께 수행하였다. 그 결과, 산충격이 액티노로딘의 생산뿐 아니라 분비도 증진시키고 또한 이차대사의 시작을 앞당기는 개시 신호가 될 수 있음을 확인하였다. 액티노로딘의 생합성과 관련된 조절 유전자와 효소들은 모두 산충격에 의해 강하게 발현이 유도되었다. 이러한 조절 유전자들은 PkaG, AfsR, ActII-Orf4 (pathway specific regulator)이 대표적이며, 이것이 외부 자극의 수용과 전달의 통로임은 잘 알려져있다. 특히, AfsR과 ActII-Orf4 사이에 위치하는 조절자인 AfsS에 대해서는 확실한 결론을 내리기 힘들다. 이의 경우 산충격 배양과 +control 배양시에 전반적으로 발현 유도가 증진되긴 하였으나, 그것의 발현 양상이 상위 단계의 조절자인 AfsR과 하위 단계 조절자인 ActII-Orf4와는 다른 발현 패턴을 보여주었다. 이러한 사실은 산충격의 신호를 전달함에 있어 AfsR과 ActII-Orf4의 사이에 AfsS를 우회하는 또 다른 조절 유전자의 존재는 의미한다.
해당 과정, 시트르산 회로, 지방산 대사, 펜토오스 인산회로와 같은 주요 대사과정들에 관여하는 유전자들의 발현 또한 산충격에 의해 증진되었다. 이러한 대사 활성화 현상들이 복합적으로 작용하여 액티노로딘의 생합성 증진을 도모한 것으로 사료된다. 특히, 아세틸-코에이를 전구물질로 이용하는 지방산 합성은 액티노로딘의 생합성과 경쟁관계에 있는데, 이 과정이 산충격에 의해 저해받은 반면 지방산 분해과정은 전반적으로 활성화되었다. 이는 전구물질인 아세틸-코에이의 양이 지방산 분해에 의해 증가됨에 따라 액티노로딘의 생산이 증진되었음을 의미하는 중요한 결과이다.
지금껏 알려진 대부분의 충격/스트레스 유도 단백질들도 산충격에 의해 발현이 유도되었거나 증진되었다. 총 94개의 시그마 단백질 중에 43개가 산충격 배양에서 과대 발현된 반면, 오직 17개만이 발현저하되었다. 지금까지 잘 알려진 시그마 인자들 중 대표적인 것이 sigH, sigR, sigB이다. 이들은 각각 열, 산화, 삼투 스트레스에 의해 발현이 유도되는 RNA polymerase로서 이차 대사를 활성화하는 것으로 알려져 있으며, 이들 또한 산충격에 의해 강하게 과대 발현되었다. 대표적인 열충격 단백질인 DnaK family (dnaK, dnaJ, groEL2, grpE)와 chaperon들도 산충격 배양에서 유도되었으며, 이와 반대로 DnaK family의 억제 유전자인 hspR의 발현이 매우 강하게 저하되었다. 또한, 단백질 분석에서도 DnaK와 GroEL2가 산충격 배양에서 과대 발현됨이 확인되었다. 이러한 경향과 마찬가지로 저온 충격 유도 단백질들도 대부분 산충격 배양시 과대 발현되었고, 산화스트레스에 의해 유도되는 방어 기작 (thioredoxin system) 및 관련 효소 (catalase, superoxide dismutase, peroxidase)들과 삼투 스트레스에 의해 유도되는 gas vesicle 합성 유전자들의 발현도 산충격에 의해 전반적으로 활성화되었다. 이러한 결과들을 종합해본 결과, 산충격은 시그마 인자들 대부분의 발현을 활성화시킬 뿐만 아니라, 여러 다른 스트레스 (열, 저온, 산화, 삼투) 전달 시스템에 강하게 영향을 주는 것으로 나타났다. 이는 산충격이 다른 충격/스트레스 보다 상위 단계에 있는 강하고 복잡한 효과를 갖는 지배 자극 (혹은 마스터 시그널) 임을 강하게 시사한다. 따라서, 이러한 지배 자극이 신호전달 체계를 모두 활성화시키고 이와 동시에 전체 대사흐름을 긍정적으로 변화시킴으로써, 결과적으로 이차대사산물의 생산이 증진된 것으로 사료된다.
