複数の倒立反復配列に由来する負の協調性を介したM. Tuberculosisのトキシン-アンチトキシン発現の自己調節

Antitoxin autoregulation of M. tuberculosis toxin-antitoxin expression through negative cooperativity arising from multiple inverted repeat sequences.

• Izaak N Beck
• Ben Usher
• Hannah G Hampton
• Peter C Fineran
• Tim R Blower

抄録

トキシン-アンチトキシン系は、抗生物質の攻撃からの保護やバクテリオファージによる感染など、細菌の適応に重要な役割を果たしている。タイプIVの毒素-アンチトキシン系AbiEは、DUF1814ヌクレオチジルトランスフェラーゼ様毒素と2ドメインのアンチトキシンをコードしている。Streptococcus agalactiaeでは、抗毒素AbiEiは、プロモーター内の倒立リピートに正の共役的な結合を介してAbiEの発現をネガティブに自動調節している。ヒトの病原体である結核菌は、4つのDUF1814をコードしており、そのうちの2つはAbiEiEiと相同性のある抗毒素を持っている。そのうちの1つ、Rv2827cと名付けられた結核菌の抗毒素は、成長に必要なものであり、その構造は以前に解明されているが、その制御機構は不明である。この理解のギャップを埋めるために、我々はまず、M. tuberculosis Rv2827cと比較するために、S. agalactiae AbiEiの構造を1.83Åの分解能で解いた。AbiEiは、N末端のDNA結合ドメインとC末端の抗毒性ドメインを含み、電荷が相反する両側の面を持つ。AbiEiの全体的な折り畳みはRv2827cに似ているが、より小さく、C末端ドメインの配向に65°の違いがある。さらに、Rv2827cはAbiEiと同様に、トキシン・アンチトキシンオペロンの発現を自動制御できることを示した。AbiEiとは対照的に、Prv2827cプロモーターは、配列コンセンサスに応じて異なる親和性でRv2827cと結合する2組の倒立リピートを含む。驚くべきことに、Rv2827cは完全なPrv2827cプロモーターに負の協力性を持って結合しており、転写制御の予想外の複雑な形態を示している。

Toxin-antitoxin systems play key roles in bacterial adaptation, including protection from antibiotic assault and infection by bacteriophages. The type IV toxin-antitoxin system AbiE encodes a DUF1814 nucleotidyltransferase-like toxin, and a two-domain antitoxin. In Streptococcus agalactiae, the antitoxin AbiEi negatively autoregulates abiE expression through positively co-operative binding to inverted repeats within the promoter. The human pathogen Mycobacterium tuberculosis encodes four DUF1814 putative toxins, two of which have antitoxins homologous to AbiEi. One such M. tuberculosis antitoxin, named Rv2827c, is required for growth and whilst the structure has previously been solved, the mode of regulation is unknown. To complete the gaps in our understanding, we first solved the structure of S. agalactiae AbiEi to 1.83 Å resolution for comparison with M. tuberculosis Rv2827c. AbiEi contains an N-terminal DNA binding domain and C-terminal antitoxicity domain, with bilateral faces of opposing charge. The overall AbiEi fold is similar to Rv2827c, though smaller, and with a 65° difference in C-terminal domain orientation. We further demonstrate that, like AbiEi, Rv2827c can autoregulate toxin-antitoxin operon expression. In contrast with AbiEi, the Prv2827c promoter contains two sets of inverted repeats, which bind Rv2827c with differing affinities depending on the sequence consensus. Surprisingly, Rv2827c bound with negative co-operativity to the full Prv2827c promoter, demonstrating an unexpectedly complex form of transcriptional regulation.

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