Functional analysis of a conserved DNA methyltransferase in caulobacter crescentus

CcrM is a DNA methyltransferase that methylates the adenine in GANTC motifs in the chromo-some of the bacterial model Caulobacter crescentus. The loss of the CcrM homolog is lethal in C. crescentus and in several other species of Alphaproteobacteria. In this research, we used different experimental and bioinformatic approaches to determine why CcrM is so critical to the physiology of C. crescentus. We first showed that CcrM is a resident orphan DNA methyltransferase in non-Rickettsiales Alphaproteobacteria and that its gene is strictly conserved in this clade (with only one ex¬ception among the genomes sequenced so far). In C. crescentus, cells depleted in CcrM in rich medium quickly lose viability and present an elongated phenotype characteristic of an im¬pairment in cell division. Using minimal medium instead of rich medium as selective and main¬tenance substrate, we could generate a AccrM mutant that presents a viability comparable to the wild type strain and only mild morphological defects. On the basis of a transcriptomic ap¬proach, we determined that several genes essential for cell division were downregulated in the AccrM strain in minimal medium. We offered decisive arguments to support that the efficient transcription of two of these genes, ftsZ and mipZ, coding respectively for the Z-ring forming GTPase FtsZ and an inhibitor of FtsZ polymerization needed for the correct positioning of the Z- ring at mid-cell, requires the methylation of an adenine in a conserved GANTC motif located in their core promoter region. We propose a model, according to which the genome of C. crescentus encodes a transcriptional activator that requires a methylated adenine in a GANTC context to bind to DNA and suggest that this transcriptional regulator might be the global cell-cycle regulator GcrA. In addition, combining a classic genetic approach and in vitro evolution experiments, we showed that the mortality and cell division defects of the AccrM strain in rich medium are mainly due to limiting intracellular levels of the FtsZ protein. We also studied the dynamics of GANTC methylation in C. crescentus using the SMRT technol¬ogy developed by Pacific Biosciences. Our findings support the commonly accepted model, accord¬ing to which the methylation state of GANTC motifs varies during the cell cycle of C. crescentus: before the initiation of DNA replication, the GANTC motifs are fully-methylated (methylated on both strands); when the DNA gets replicated, the GANTC motifs become hemi-methylated (methyl¬ated on one strand only) and this occurs at different times during replication for different loci along the chromosome depending on their position relative to the origin of replication; the GANTC mo¬tifs are only remethylated after DNA replication has finished as a consequence of the massive and short-lived expression of CcrM in predivisional cells. About 30 GANTC motifs in the C. crescentus chromosome were found to be undermethylated in most of the bacterial population; these might be protected from CcrM activity by DNA binding proteins and some of them could be involved in methylation-based bistable transcriptional switches. - CcrM est une ADN méthyltransférase qui méthyle les adénines dans le contexte GANTC dans le génome de la bactérie modèle Caulobacter crescentus. La perte de l'homologue de CcrM chez C. crescentus et chez plusieurs autres espèces d'Alphaproteobactéries est létale. Dans le courant de cette recherche, nous tentons de déterminer pourquoi la protéine CcrM est cruciale pour la survie de C. crescentus. Nous démontrons d'abord que CcrM est une adénine méthyltransférase orpheline résidente, dont le gène fait partie du génome minimal partagé par les Alphaprotéobactéries non-Rickettsiales (à une exception près). Lorsqu'une souche de C. crescentus est privée de CcrM, sa viabilité décroît rapi¬dement et ses cellules présentent une morphologie allongée qui suggère que la division cellulaire est inhibée. Nous sommes parvenus à créer une souche AccrM en utilisant un milieu minimum, au lieu du milieu riche classiquement employé, comme milieu de sélection et de maintenance pour la souche. Lorsque nous avons étudié le transcriptome de cette souche de C. crescentus privée de CcrM, nous avons pu constater que plusieurs gènes essentiels pour le bon déroulement de la division cellulaire bactérienne étaient réprimés. En particulier, l'expression adéquate des gènes ftsZ et mipZ - qui codent, respectivement, pour FtsZ, la protéine qui constitue, au milieu de la cellule, un anneau protéique qui initie le processus de division et pour MipZ, un inhibiteur de la polymérisation de FtsZ qui est indispensable pour le bon positionnement de l'anneau FtsZ - est dépendante de la présence d'une adénine méthylée dans un motif GANTC conservé situé dans leur région promotrice. Nous présentons un modèle selon lequel le génome de C. crescentus code pour un facteur de transcription qui exige la présence d'une adénine méthylée dans un contexte GANTC pour s'attacher à l'ADN et nous suggérons qu'il pourrait s'agir du régulateur global du cycle cellulaire GcrA. En outre, nous montrons, en combinant la génétique classique et une approche basée sur l'évolution expérimentale, que la mortalité et l'inhibition de la division cellulaire caractéristiques de la souche àccrMeη milieu riche sont dues à des niveaux excessivement bas de protéine FtsZ. Nous avons aussi étudié la dynamique de la méthylation du chromosome de C. crescentus sur la base de la technologie SMRT développée par Pacific Biosciences. Nous confirmons le modèle communément accepté, qui affirme que l'état de méthylation des motifs GANTC change durant le cycle cellulaire de C. crescentus: les motifs GANTC sont complètement méthylés (méthylés sur les deux brins) avant de début de la réplication de l'ADN; ils deviennent hémi-méthylés (méthylés sur un brin seulement) une fois répliqués, ce qui arrive à différents moments durant la réplication pour différents sites le long du chromosome en fonction de leur position par rapport à l'origine de répli-cation; finalement, les motifs GANTC sont reméthylés après la fin de la réplication du chromosome lorsque la protéine CcrM est massivement, mais très transitoirement, produite. Par ailleurs, nous identifions dans le chromosome de C. crescentus environ 30 motifs GANTC qui restent en perma-nence non-méthylés dans une grande partie de la population bactérienne; ces motifs sont probable-ment protégés de l'action de CcrM par des protéines qui s'attachent à l'ADN et certains d'entre eux pourraient être impliqués dans des mécanismes de régulation générant une transcription bistable.

Characterization and functional identification of a novel plant extradiol 4,5-dioxygenase involved in betalain pigment biosynthesis in Portulaca Grandiflora

RESUME Les bétalaïnes sont des pigments chromo-alcaloïdes violets et jaunes présents dans les plantes appartenant à l'ordre des Caryophyllales et dans les champignons des genres Amanita et Hygrocybe. Leur courte voie de biosynthèse est élucidée chimiquement depuis de nombreuses années, mais les enzymes impliquées dans cette biosynthèse chez les plantes ne sont toujours pas caractérisées. L'enzyme de la DOPA-dioxygénase d' Amanita muscaria a été identifiée (Girod et Zryd, 1991a), mais de nombreuses tentatives d'isolation d'un homologue chez les plantes ont échoué. Afin d'isoler les gènes spécifiques des bétalaïnes chez les plantes, nous avons construit des banques soustraites d'ADNc à partir d'ARN total de pétales immatures de Portulaca grandiflora (Pg) de génotypes jaunes et blancs, respectivement violets et blancs. Les clones couleur- spécifiques ont été détectés en premier par analyse Northem du RNA de pétales blancs et colorés. Les candidats positifs ont alors été soumis à une analyse de transcription au niveau des tiges colorées, vertes et des feuilles, afin d'établir leur expression spécifique. Deux ARNs messagers complets ont une expression corrélée avec l'accumulation des bétalaïnes dans les tissus. Le premier de ces clones, A.16, code pour une oxydase de l'acyl-Coenzyme A (ACX) putative, mais le domaine de liaison du FAD essentiel pour l'activité d'ACX est absent. Toutes nos tentatives pour démontrer sa fonction ont échoué. Le rôle de cette protéine dans la voie de synthèse des bétalaïnes reste inconnu. Le deuxième de ces clones spécifique aux bétalaïnes, L.6 (isolé par Zaiko, 2000), a été renommé DODA en raison de son homologie avec le domaine LigB (pfam02900) d'une 4,5-dioxygénase extradiol bactérienne. DODA a été identifié in silico comme une dioxygénase extradiol en raison de la conservation stricte, au niveau de sa séquence peptidique, des résidus catalytiques de LigB et de ceux liant le cofacteur fer. Une analyse de transfert Southem a montré que ce gène est unique dans Pg. L'expression transitoire de DODA par transformation biolistique dans des pétales blancs de Pg a produit des taches violettes ou jaunes dans des cellules transformées. Une analyse HPLC de ces taches a démontré leur identité avec les bétalaïnes présentes naturellement dans les pétales violets et jaunes de Pg, confirmant ainsi la complémentation par le gène Pg DODA de l'allèle récessif cc présent dans les pétales blancs de Pg. Des homologues de DODA (DOPA-dioxygénase) ont été identifiés dans de nombreuses espèces de plantes, y compris dans celles sans bétalaïne. L'alignement de ces homologues a permis l'identification d'un motif spécifique aux bétalaïnes à côté d'une histidine catalytique conservée. Ce motif [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] remplace le motif [H-N-L-R] conservé dans les plantes sans bétalaïne et le motif [H-N-L-x] présent dans tous les homologues bactériens et archaebactériens. Une modélisation tridimensionnelle préliminaire du site actif de Pg DODA et de son homologue dans la mousse Physcomitrella patens a montré l'importance de ce motif spécifique aux bétalaïnes pour l'accessibilité du substrat au site actif. L'analyse phylogénétique de DODA a confirmé l'évolution séparée de cette protéine chez les plantes à bétalaïnes par comparaison avec celle des plantes sans bétalaïne. Nous avons donc conclu que les bétalaïnes sont apparues par modification de l'affinité pour un substrat d'enzymes similaires à DODA, chez un ancêtre unique des Caryophyllales qui a perdu toute capacité de biosynthèse des anthocyanes. Finalement, Pg DODA n'a aucune similarité avec la protéine DODA d' Amanita muscaria, bien que celle-ci complémente aussi la pigmentation des pétales blancs de Pg. La biosynthèse des bétalaïnes est un exemple remarquable de convergence évolutive biochimique indépendante entre espèces de règnes différents. ABSTRACT Betalains are violet and yellow chromo-alkaloid pigments present in plants belonging to the order Caryophyllales and also in the fungal genera Amanita and Hygrocybe. Their short biosynthetic pathway is chemically well understood since many years, but enzymes involved in the plant pathway are still uncharacterized. The DOPA-dioxygenase from Amanita muscaria was identified (Girod and Zryd, 1991a), but numerous attempts to identify a plant homologue to the corresponding gene, failed. In order to isolate betalain-specific genes in plants, subtractive cDNA libraries were built with total RNA from white and yellow and respectively, violet immature petals from Portulaca grandiflora (Pg) genotypes. Colour-specific clones were first detected by Northern blot analysis using RNA from white and coloured petals. Positive candidates were submitted to further transcription analysis in coloured, green stems and leaves in order to assess their specific expression. Two full-length mRNAs showed a correlated expression with betalain accumulation in tissues. One of them, A.16, encodes a putative acyl-Coenzyme A oxidase (ACX), but missing the FAD binding domain essential for the ACX activity. Thus, all attempts to demonstrate its function failed. The role of this protein in the betalain biosynthesis pathway, if any, is still unknown. The second betalain-specific mRNA, L.6 (isolated by Zaiko, 2000) shows a homology with a LigB domain (pfam02900) from a bacterial extradiol 4,5-dioxygenase. It was then renamed DODA (DOPA-dioxygenase). DODA was identified in silico as a highly conserved extradiol dioxygenase due to the strict conservation of its peptidic sequence with LigB catalytic residues and iron-binding cofactor residues. Southern blot analysis showed that this gene is a single copy-gene in Pg. Transient expression of DODA protein through biolistic transformation of Pg white petals produced violet or yellow spots in individual cells. HPLC analysis of these spots showed an identity with betalain pigments present naturally in yellow and violet Pg petals, thus confirming the complementation of the recessive cc allele present in Pg white petals by Pg DODA gene. DODA homologues were identified in numerous plant species including those without betalain. Alignment of these homologues allowed the identification of a betalain-specific pattern beside a highly conserved catalytic histidine. This [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] pattern replaces a [H-N-L-R] pattern strictly conserved in non-betalain plants and a [H-N-L-x] pattern present in all bacterial and archaebacterial homologues. Preliminary three-dimensional modeling of the active site of Pg DODA and its Physcomitrella patens moss homologue revealed the importance of this betalain-specific pattern for the substrate accessibility to the DODA active site. DODA phylogenetic analysis confirmed the separate evolution of this protein in betalain-producing plants. We conclude that betalain pigments appeared in a unique ancestor of the Caryophyllales order in which anthocyanin biosynthetic pathway was impaired, by a modification of enzymes of the DODA family for substrate affinity. The Pg DODA protein has no sequence similarity with Amanita muscaria DODA, despite the fact that they both complement Pg white petals for their pigmentation. Betalain biosynthesis is an interesting example of independent biochemical evolutionary convergence between species from different kingdoms.