染色体を用いたLsr2様蛋白質の異種間サイレンシングとカウンターサイレンシングのルールを解読する

Deciphering the Rules Underlying Xenogeneic Silencing and Counter-Silencing of Lsr2-like Proteins Using CgpS of Corynebacterium glutamicum as a Model.

• Johanna Wiechert
• Andrei Filipchyk
• Max Hünnefeld
• Cornelia Gätgens
• Jannis Brehm
• Ralf Heermann
• Julia Frunzke

抄録

Lsr2様ヌクレオイド関連タンパク質は、放線菌の水平獲得ゲノム領域の異種遺伝子サイレンサー（XS）として重要な役割を果たしている。本研究では、Lsr2様ヌクレオイド関連タンパク質CgpSのサイレンシングとカウンターサイレンシングの背後にある制約を系統的に解析し、ゲノムワイドな解析により、転写開始部位（TSS）に近いGCプロファイルの明確な低下を特徴とする領域へのCgpSの結合を明らかにしたが、核タンパク質複合体の核形成部位に複数のA/Tステップを持つ過剰発現モチーフを同定した。特定の転写因子（TF）の結合がXSの活性を阻害し、カウンターサイレンシングにつながる可能性がある。合成的なカウンターサイレンシング法を用いて、エフェクター応答性TFのオペレーターサイトをCgpS標的プロモーターに挿入することで標的遺伝子の活性化を実現し、TFの結合によりプロモーターの活性が上昇した。レポーター構築物を解析した結果、TFのオペレーターサイトをCgpSのカバレッジが最大となる位置に挿入すると、最大のカウンターサイレンシングが起こることがわかった。この原理は合成トグルスイッチに実装されており、エフェクターの利用可能性に応じて可逆的に応答することから、バイオテクノロジーへの応用の可能性があることが明らかになった。これらの結果は、Lsr2サイレンシングとカウンターサイレンシングが、この医学的にもバイオテクノロジー的にも関連性のある細菌門における進化的ネットワークの拡大をどのように形成しているかについての包括的な洞察を提供しています。放線菌では、Lsr2に類似したヌクレオイド関連タンパク質は、ウイルス要素、病原性遺伝子クラスター、種内の特殊な代謝に関与する遺伝子などのゲノム領域の異種遺伝子サイレンサー（XS）として機能しています。その結果、Lsr2 の結合機構を詳細に理解することは、潜在的なドラッグターゲットとして、また新規な生理活性化合物の同定に重要である。ここで、我々は、Lsr2に類似したXS CgpSの異種遺伝子によるサイレンシングとカウンターサイレンシングの基礎となるルールを調査するためのアプローチに従った。合成カウンターサイレンサーを用いたアプローチにより、CgpSのサイレンシングを打ち消すための転写因子の可能性と制約を研究し、それによって宿主の制御ネットワークへの新しい遺伝形質の統合を促進した。

Lsr2-like nucleoid-associated proteins play an important role as xenogeneic silencers (XS) of horizontally acquired genomic regions in actinobacteria. In this study, we systematically analyzed the constraints underlying silencing and counter-silencing of the Lsr2-like protein CgpS in Genome-wide analysis revealed binding of CgpS to regions featuring a distinct drop in GC profile close to the transcription start site (TSS) but also identified an overrepresented motif with multiple A/T steps at the nucleation site of the nucleoprotein complex. Binding of specific transcription factors (TFs) may oppose XS activity, leading to counter-silencing. Following a synthetic counter-silencing approach, target gene activation was realized by inserting operator sites of an effector-responsive TF within various CgpS target promoters, resulting in increased promoter activity upon TF binding. Analysis of reporter constructs revealed maximal counter-silencing when the TF operator site was inserted at the position of maximal CgpS coverage. This principle was implemented in a synthetic toggle switch, which features a robust and reversible response to effector availability, highlighting the potential for biotechnological applications. Together, our results provide comprehensive insights into how Lsr2 silencing and counter-silencing shape evolutionary network expansion in this medically and biotechnologically relevant bacterial phylum. In actinobacteria, Lsr2-like nucleoid-associated proteins function as xenogeneic silencers (XS) of horizontally acquired genomic regions, including viral elements, virulence gene clusters in , and genes involved in cryptic specialized metabolism in species. Consequently, a detailed mechanistic understanding of Lsr2 binding is relevant as a potential drug target and for the identification of novel bioactive compounds. Here, we followed an approach to investigate the rules underlying xenogeneic silencing and counter-silencing of the Lsr2-like XS CgpS from Our results demonstrated that CgpS distinguishes between self and foreign by recognizing a distinct drop in GC profile in combination with a short, sequence-specific motif at the nucleation site. Following a synthetic counter-silencer approach, we studied the potential and constraints of transcription factors to counteract CgpS silencing, thereby facilitating the integration of new genetic traits into host regulatory networks.

Copyright © 2020 Wiechert et al.