サイクリックAMP受容体タンパク質は、肺ペストのプランクトン成長とバイオフィルム内での成長の間に、Yersinia pestisのクォーラムセンシングとグローバルな遺伝子発現を制御しています

The Cyclic AMP Receptor Protein Regulates Quorum Sensing and Global Gene Expression in Yersinia pestis during Planktonic Growth and Growth in Biofilms.

• Jeremy T Ritzert
• George Minasov
• Ryan Embry
• Matthew J Schipma
• Karla J F Satchell

抄録

サイクリックAMP（Cyclic AMP）受容体タンパク質（Crp）は、肺ペストがグルコースを枯渇させ、肺内に大きなバイオフィルムを形成している間に発現が増加することを制御する重要な転写調節因子である。Crpの制御をよりよく理解するために、我々はタンパク質-CAMP複合体の1.8Åの結晶構造を決定した。その結果、CrpのCらせんアミノ酸置換は、CrpがDNAプロモーターに結合する際のcAMP依存性に影響を与えないことがわかりました。ペスト肺炎時のCrp制御遺伝子を調べるために、我々は、プランクトン状態とバイオフィルム状態で増殖している野生型とΔ変異体細菌の両方について、グルコースまたはグリセロールを用いた最小限の培地でRNAシーケンスを行った。 その結果、Crpは炭素源と生育状態に依存する方法で数百の遺伝子の発現を劇的に変化させることがわかった。ゲルシフトアッセイにより、鉄調節遺伝子とプロモーターの直接的な調節が確認され、Crpは唯一の炭素源としてマルトース上での成長にリンクされていました。鉄調節遺伝子とプロモーターは、Crpによって間接的に調節されていることが確認された。Crp はアシルホモセリンラクトン（AHLs）の産生を、AHL 合成酵素と受容体の遺伝子を直接および間接的に制御していることが明らかになり、炭素源とクォーラムセンシングの間の新たな関係が明らかになった。その後、感染マウスの肺では、バイオフィルム内で最も発現が高い時期にAHLが確認された。このように、よく研究されている遺伝子に加えて、他のCrp制御遺伝子もペスト感染時に重要な機能を持っている可能性がある。細菌病原体は、環境シグナルを遺伝子発現の変化に変換するための広範なシグナル伝達経路を進化させてきた。Crpは、多くの細菌種における炭素源の代謝を調節する役割で長い間評価されてきたが、転写プロファイリングにより、このタンパク質が細菌生理学の他の多くの側面を調節していることが明らかになってきた。ペスト病原体は、血液、皮膚、肺で生存するために、このグローバルな調節因子を必要とする。病気の進行中、この生物はこれらのニッチ内の変化に適応する。私たちは、Crpが非グルコース糖代謝の遺伝子を制御していることに加えて、病原性、金属獲得、およびクォーラムセンシングの遺伝子を直接または間接的に制御していることを発見しました。このように、利用可能な炭素源の変化に応答するこの単一の転写制御因子は、病気を引き起こす複数の重要な行動を制御している可能性があります。

Cyclic AMP (cAMP) receptor protein (Crp) is an important transcriptional regulator of Expression of increases during pneumonic plague as the pathogen depletes glucose and forms large biofilms within lungs. To better understand control of Crp, we determined a 1.8-Å crystal structure of the protein-cAMP complex. We found that compared to Crp, C helix amino acid substitutions in Crp did not impact the cAMP dependency of Crp to bind DNA promoters. To investigate Crp-regulated genes during plague pneumonia, we performed RNA sequencing on both wild-type and Δ mutant bacteria growing in planktonic and biofilm states in minimal media with glucose or glycerol. Crp was found to dramatically alter expression of hundreds of genes in a manner dependent upon carbon source and growth state. Gel shift assays confirmed direct regulation of the and promoters, and Crp was then linked to growth on maltose as a sole carbon source. Iron regulation genes and were found to be indirectly regulated by Crp. A new connection between carbon source and quorum sensing was revealed as Crp was found to regulate production of acyl-homoserine lactones (AHLs) through direct and indirect regulation of genes for AHL synthetases and receptors. AHLs were subsequently identified in the lungs of -infected mice when expression was highest in biofilms. Thus, in addition to the well-studied gene, other Crp-regulated genes likely have important functions during plague infection. Bacterial pathogens have evolved extensive signaling pathways to translate environmental signals into changes in gene expression. While Crp has long been appreciated for its role in regulating metabolism of carbon sources in many bacterial species, transcriptional profiling has revealed that this protein regulates many other aspects of bacterial physiology. The plague pathogen requires this global regulator to survive in blood, skin, and lungs. During disease progression, this organism adapts to changes within these niches. In addition to regulating genes for metabolism of nonglucose sugars, we found that Crp regulates genes for virulence, metal acquisition, and quorum sensing by direct or indirect mechanisms. Thus, this single transcriptional regulator, which responds to changes in available carbon sources, can regulate multiple critical behaviors for causing disease.

Copyright © 2019 Ritzert et al.