4Fe-4Sクラスターを含む転写因子であるSufRは、鉄-硫黄クラスターアセンブリのオペロンを抑制することを明らかにした

SufR, a [4Fe-4S] cluster-containing transcription factor, represses the operon in the iron-sulfur cluster assembly in .

• Yaqing Cheng
• Mengya Lyu
• Renjun Yang
• Ying Wen
• Yuan Song
• Jilun Li
• Zhi Chen

抄録

鉄硫黄（Fe-S）クラスターは、ほぼすべての生物の多くの基本的なバイオプロセスに不可欠な、どこにでも存在する汎用性の高い無機補酵素である。グラム陽性細菌では、細胞がどのようにして鉄-硫黄クラスターの恒常性を維持しているのかはよくわかっていません。ゲノム解析により、オペロンによってコードされるSuf系が、同属唯一のFe-Sクラスター集合系であることが明らかになった。 ()はArsRファミリーの転写調節因子をコードしており、本研究ではこのオペロンのリプレッサーとして特徴づけられた。また、嫌気的に単離されたSufRは酸化感受性のある[4Fe-4S]クラスターを含み、ホモ二量体として存在していることが分光学と質量分析から明らかになった。EMSAとDNase Iのフットプリント解析により、[4Fe-4S]-SufRはオペロンのプロモーター領域にある14-bpのパリンドロミック配列(CAAC-N6-GTTG)と特異的に結合し、オペロンの発現を抑制することが明らかになった。4Fe-4S]クラスターの存在は、SufRのDNA結合活性に重要である。SufRのC末端領域のCys、Cysは[4Fe-4S]クラスターの配位に必須であるが、Cysは必須ではない。SufRの[4Fe-4S]クラスターの配位に関わる第4の非Cysリガンドはまだ同定されていない。これらの知見は、[4Fe-4S] SufRによるオペロンの転写制御が、多様なFe-Sクラスターの要求を満たすために行われていることを明らかにした。SufRは細胞内のFe-Sクラスターの状態を感知し、そのFe-Sクラスター占有を介して唯一のFe-Sクラスター集合系の発現を調節している。Fe-Sクラスターは、呼吸、光合成、窒素固定、DNA複製、遺伝子制御など、様々な生物学的プロセスを制御するタンパク質の補因子として機能している。しかし、アクチノバクテリアは、このような変化するFe-Sクラスターの要求に応じて、唯一のFe-Sクラスター集合系の発現を制御するメカニズムを明らかにしていません。本研究では、SufRがアベルメクチン生産菌の唯一のFe-Sクラスター集合系の転写抑制因子として機能していることを明らかにした。Fe-Sクラスターが不足すると、SufRは[4Fe-4S]クラスターとDNA結合活性を失う。Apo-SufRはオペロンのプロモーター領域から解離し、脱抑制により発現が強く上昇してFe-Sクラスターの合成を促進する。本研究では、SufRの活性により、変化するFe-Sクラスターの要求を調節することで、どのようにしてFe-Sクラスターの恒常性を維持しているのかを明らかにした。

Iron-sulfur (Fe-S) clusters are ubiquitous and versatile inorganic cofactors that are crucial for many fundamental bioprocesses in nearly all organisms. How cells maintain Fe-S cluster homeostasis is not well understood in Gram-positive bacteria. Genomic analysis showed that the Suf system, which is encoded by the operon, is the sole Fe-S cluster assembly system in the genus is the industrial producer of avermectins, which are widely used as agricultural pesticides and antiparasitic agents. () encodes a putative ArsR-family transcriptional regulator, which was characterized as a repressor of the operon in this investigation. Spectroscopy and mass spectrometry demonstrated that anaerobically isolated SufR contained an oxidation-sensitive [4Fe-4S] cluster and existed as a homodimer. EMSAs and DNase I footprinting analyses revealed that [4Fe-4S]-SufR bound specifically and tightly to a 14-bp palindromic sequence (CAAC-N6-GTTG) in the promoter region of the operon, repressing expression of the operon. The presence of the [4Fe-4S] cluster is critical for the DNA binding activity of SufR. Cys, Cys, and Cys in the C-terminal region of SufR are essential for [4Fe-4S] cluster coordination, but Cys is not. The fourth non-Cys ligand in coordination of the [4Fe-4S] cluster for SufR remains to be identified. The findings clarify the transcriptional control of the operon by [4Fe-4S] SufR to satisfy the varying Fe-S cluster demands. SufR senses the intracellular Fe-S cluster status and modulates the expression of the sole Fe-S cluster assembly system via its Fe-S cluster occupancy. Fe-S clusters function as cofactors of proteins controlling diverse biological processes such as respiration, photosynthesis, nitrogen fixation, DNA replication and gene regulation. The mechanism of how Actinobacteria regulate the expression of the sole Fe-S cluster assembly system in response to the varying Fe-S cluster demands remains to be elucidated. In this study, we showed that SufR functions as a transcriptional repressor of the sole Fe-S cluster assembly system in the avermectin-producer [4Fe-4S]-SufR binds to the promoter region of the operon and represses its expression. When Fe-S cluster is insufficient, SufR loses its [4Fe-4S] cluster and DNA binding activity. Apo-SufR dissociates from the promoter region of operon, and the expression of the system is strongly increased by de-repression to promote the synthesis of Fe-S clusters. The study clarifies how maintains its Fe-S cluster homeostasis through the activity of SufR to modulate the varying Fe-S cluster demands.

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