合成プロモーター工学によるFisとIHFの複雑な相互作用の解明

Unraveling the Complex Interplay of Fis and IHF Through Synthetic Promoter Engineering.

• Lummy Maria Oliveira Monteiro
• Ananda Sanches-Medeiros
• Cauã Antunes Westmann
• Rafael Silva-Rocha

抄録

細菌のプロモーターは、通常、多数の転写因子（TF）によって認識される複数の調節要素によって形成されている。これらのTFは細菌ゲノム中の数百の遺伝子の調節に関与しているため、これらの中からグローバルな調節因子が重要な要素となっています。例えば、FisやIHFは、細菌の遺伝子発現制御に重要な役割を果たすグローバルレギュレーターであり、通常、これらのタンパク質の複数の制御要素が標的プロモーターに存在している。ここでは、Fis と IHF の-制御要素のアーキテクチャの関係を調べた。そのために、FisとIHFのコンセンサスエレメントを持つ42の合成プロモーターバリアントを、コアである-35/10領域からの距離が異なる場所で、様々な数や組み合わせで解析した。まず、Fisはそのコンセンサス-エレメントを優先的に認識するが、IHFのコンセンサス結合部位もある程度認識できることを示し、IHFも同様にFisの結合部位を認識できることを示した。しかし、-エレメントの配置（すなわち、サイトの位置や数）を変えることで、両TFの非特異的結合を完全に廃止することができます。さらに驚くべきことに、我々は、両方のTFに対して-エレメントを組み合わせることで、予測不可能な方法で、プロモーターの最終的な構造に依存して、FisとIHFのプロモーターが抑制されたり、活性化されたりすることを実証した。これらのデータは、細菌のプロモーターのアーキテクチャの小さな変化が、システムの最終的な制御ロジックに劇的な変化をもたらす可能性があることを示しており、細菌における天然の複雑なプロモーターの理解と、新規なアプリケーションのためのそのエンジニアリングに重要な意味を持つ。

Bacterial promoters are usually formed by multiple -regulatory elements recognized by a plethora of transcriptional factors (TFs). From those, global regulators are key elements since these TFs are responsible for the regulation of hundreds of genes in the bacterial genome. For instance, Fis and IHF are global regulators that play a major role in gene expression control in , and usually, multiple -regulatory elements for these proteins are present at target promoters. Here, we investigated the relationship between the architecture of the -regulatory elements for Fis and IHF in . For this, we analyze 42 synthetic promoter variants harboring consensus -elements for Fis and IHF at different distances from the core -35/-10 region and in various numbers and combinations. We first demonstrated that although Fis preferentially recognizes its consensus -element, it can also recognize, to some extent, the consensus-binding site for IHF, and the same was true for IHF, which was also able to recognize Fis binding sites. However, changing the arrangement of the -elements (i.e., the position or number of sites) can completely abolish the non-specific binding of both TFs. More remarkably, we demonstrated that combining -elements for both TFs could result in Fis and IHF repressed or activated promoters depending on the final architecture of the promoters in an unpredictable way. Taken together, the data presented here demonstrate how small changes in the architecture of bacterial promoters could result in drastic changes in the final regulatory logic of the system, with important implications for the understanding of natural complex promoters in bacteria and their engineering for novel applications.

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