Structural characterization of the DNA-binding mechanism underlying the copper(II)-sensing MarR transcriptional regulator

Abstract

Multiple antibiotic resistance regulator (MarR) family proteins are widely conserved transcription factors that control bacterial resistance to antibiotics, environmental stresses, as well as the regulation of virulence determinants. Escherichia coli MarR, the prototype member of this family, has recently been shown to undergo copper(II)-catalyzed inter-dimer disulfide bond formation via a unique cysteine residue (Cys80) residing in its DNA-binding domain. However, despite extensive structural characterization of the MarR family proteins, the structural mechanism for DNA binding of this copper(II)-sensing MarR factor remains elusive. Here, we report the crystal structures of DNA-bound forms of MarR, which revealed a unique, concerted generation of two new helix-loop-helix motifs that facilitated MarR's DNA binding. Structural analysis and electrophoretic mobility shift assays (EMSA) show that the flexibility of Gly116 in the center of helix α5 and the extensive hydrogen-bonding interactions at the N-terminus of helix α1 together assist the reorientation of the wHTH domains and stabilize MarR's DNA-bound conformation.

Crystal structure of the multiple antibiotic resistance regulator MarR fromClostridium difficile

“…The structure of MarR from E. coli (MarR E.coli ) is a homodimer (Alekshun et al, 2001), and it has been verified that MarR E.coli binds the marRAB promoter as a dimer (Martin et al, 1996). A recent study showed that disulfide bonds could be formed between MarR E.coli dimers, resulting in the dissociation of MarR E.coli from its cognate DNA and enhanced bacterial resistance (Zhu et al, 2017). The MarR family member MprA also functions as a dimer (Brooun et al, 1999).…”

Caracterização funcional de fatores de transcrição da família MarR de Chromobacterium violaceum

“…Os dois sítios são necessários para a repressão transcricional completa, mas cada sítio leva à repressão parcial (DUVAL et al, 2013;MARTIN;ROSNER, 1995). A ligação do regulador MarR ao seu DNA alvo é revertida quando um ligante interage com o regulador (HAO et al, 2014;ZHU et al, 2017). A inativação do regulador MarR permite a transcrição do operon marRAB e com isso, o aumento da expressão de MarA que resulta na resistência a múltiplos antibióticos, devido a ativação da expressão da principal bomba de efluxo multidroga AcrAB-TolC em E. coli LEVY, 2000;OKUSU;MA;NIKAIDO, 1996).…”

“…Algumas proteínas MarR tem sua atividade de ligação ao DNA modulada pela oxidação do grupo tiol presente em cisteínas reativas, como MarR de E. coli e OhrR de Chromobacterium violaceum NEGRETTO;NETTO, 2012;ZHU et al, 2017), mas a maioria destes reguladores interage com pequenas moléculas, frequentemente compostos fenólicos como o salicilato. A interação com estes ligantes geralmente ocorre entre a região de dimerização (região de interação dos monômeros para formar o homodímero) e a região de ligação ao DNA, resultando numa mudança conformacional que leva ao desligamento do regulador do DNA (GROVE, 2017;PERERA;GROVE, 2010b).…”

“…Uma vez que estes genes são membros do regulon Fur em muitas bactérias LOURENÇO;MARQUES, 2013;FILLAT, 2014;SEO et al, 2014) e no genoma de C. violaceum tem a proteína Fur (BRAZILIAN NATIONAL GENOME PROJECT CONSORTIUM, 2003), nossa hipótese é que CHP esteja induzindo o regulon Fur, ou porque CHP poderia causar a limitação de ferro reagindo com Fe (II) (RUSH; KOPPENOL, 1990) ou pela oxidação da holoenzima Fur, impedindo sua ligação ao DNA (VARGHESE et al, 2007). 4.8.6 Aumento da expressão dos genes de resposta a limitação de nitrogênio dependentes de NtrC Diversos genes pertencentes ao regulon NtrC, que são necessários para a assimilação de nitrogênio em bactérias entéricas (ZIMMER et al, 2000) foram induzidos por CHP em C. violaceum (Figuras 23A e 24; Tabela S1). As proteínas codificadas por estes genes incluem transportadores de amônia (amtB) (32 vezes) e glutamato (gltK), glutamina sintetase (glnA) (6 vezes), glutamato sintase (gltB), proteína PII reguladora de nitrogênio (glnK) (39 vezes) e o sistema de dois componentes composto por NtrB (glnL) e NtrC (glnG).…”

“…Os altos níveis de c-di-GMP estão associados à redução da virulência bacteriana, que é o fenótipo observado para o mutante ΔohrR, possivelmente pela diminuição da expressão de fatores de virulência (genes indicados em verde). São indicadas as prováveis vias para a redução de OhrR e OhrA (CUSSIOL et al, 2010;NEGRETTO;NETTO, 2012).…”