The ribB FMN riboswitch from Escherichia coli operates at the transcriptional and translational level and regulates riboflavin biosynthesis

FMN riboswitches are genetic elements that, in many bacteria, control genes responsible for biosynthesis and/or transport of riboflavin (vitamin B2 ). We report that the Escherichia coli ribB FMN riboswitch controls expression of the essential gene ribB coding for the riboflavin biosynthetic enzyme 3,4-dihydroxy-2-butanone-4-phosphate synthase (RibB; EC 4.1.99.12). Our data show that the E. coli ribB FMN riboswitch is unusual because it operates at the transcriptional and also at the translational level. Expression of ribB is negatively affected by FMN and by the FMN analog roseoflavin mononucleotide, which is synthesized enzymatically from roseoflavin and ATP. Consequently, in addition to flavoenzymes, the E. coli ribB FMN riboswitch constitutes a target for the antibiotic roseoflavin produced by Streptomyces davawensis.

Riboswitches : le cas des atténuateurs de la transcription du type terminateur/antiterminateur chez les bactéries

Il est essentiel pour chaque organisme d’avoir la possibilité de réguler ses fonctions afin de permettre sa survie et d’améliorer sa capacité de se reproduire en divers habitats. Avec l’information disponible, il semble que les organismes consacrent une partie assez importante de leur matériel génétique à des fonctions de régulation. On peut envisager que certains mécanismes de régulation ont persisté dans le temps parce qu’ils remplissent bien leurs rôles. Les premières études sur les procaryotes ont indiqué qu’il y avait peu de mécanismes de régulation exerçant le contrôle des gènes, mais il a été démontré par la suite qu’une variété de ces mécanismes est utilisée pour la régulation de gènes et d’opérons. En particulier, les opérons bactériens impliqués dans la biosynthèse des acides aminés, l’ARNt synthétase, la dégradation des acides aminés, les protéines ribosomales et l’ARN ribosomal font l’objet d’un contrôle par l’atténuation de la transcription. Ce mécanisme d’atténuation de la transcription diffère d’autres mécanismes pour la génération de deux structures différentes de l’ARNm, où l’une de ces structures réprime le gène en aval, et l’autre permet de continuer la transcription/traduction. Dans le cadre de cette recherche, nous nous sommes intéressé au mécanisme d’atténuation de la transcription chez les procaryotes où aucune molécule ne semble intervenir comme facteur de régulation, en me concentrant sur la régulation des opérons bactériens. Le but principal de ce travail est de présenter une nouvelle méthode de recherche des riborégulateurs qui combine la recherche traditionnelle des riborégulateurs avec la recherche structurale. En incorporant l’étude du repliement de l’ARNm, nous pouvons mieux identifier les atténuateurs répondant à ce type de mécanisme d’atténuation. Ce mémoire est divisé en quatre chapitres. Le premier chapitre présente une revue de la littérature sur l’ARN et un survol sur les mécanismes de régulation de l’expression génétique chez les procaryotes. Les chapitres 2 et 3 sont consacrés à la méthodologie utilisée dans cette recherche et à l’implémentation du logiciel TA-Search. Enfin, le chapitre 4 expose les conclusions et les applications potentielles de la méthode.

Caractérisation structurale et thermodynamique de la reconnaissance du substrat par le ribozyme VS de Neurospora

Les interactions ARN/ARN de type kissing-loop sont des éléments de structure tertiaire qui jouent souvent des rôles clés chez les ARN, tant au niveau fonctionnel que structural. En effet, ce type d’interaction est crucial pour plusieurs processus dépendant des ARN, notamment pour l’initiation de la traduction, la reconnaissance des ARN antisens et la dimérisation de génome rétroviral. Les interactions kissing-loop sont également importantes pour le repliement des ARN, puisqu’elles permettent d’établir des contacts à longue distance entre différents ARN ou encore entre les domaines éloignés d’un même ARN. Ce type d’interaction stabilise aussi les structures complexes des ARN fonctionnels tels que les ARNt, les riborégulateurs et les ribozymes. Comme d’autres ARN fonctionnels, le ribozyme VS de Neurospora contient une interaction kissing-loop importante. Celle-ci est impliquée dans la reconnaissance du substrat et se forme entre la tige-boucle I (stem-loop I, SLI) du substrat et la tige-boucle V (stem-loop V, SLV) du domaine catalytique. Des études biochimiques ont démontré que l’interaction kissing-loop I/V, dépendante du magnésium, implique trois paires de bases Watson-Crick (W-C). De plus, cette interaction est associée à un réarrangement de la structure du substrat, le faisant passer d’une conformation inactive dite unshifted à une conformation active dite shifted. Les travaux présentés dans cette thèse consistent en une caractérisation structurale et thermodynamique de l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme VS, laquelle est formée de fragments d’ARN représentant les tige-boucles I et V dérivées du ribozyme VS (SLI et SLV). Cette caractérisation a été réalisée principalement par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) et par titrage calorimétrique isotherme (isothermal titration calorimetry, ITC) en utilisant différents complexes SLI/SLV dans lesquels l’ARN SLV est commun à tous les complexes, alors que différentes variations de l’ARN SLI ont été utilisées, soit en conformation shiftable ou preshifted. Les données d’ITC ont permis de démontrer qu’en présence d’une concentration saturante de magnésium, l’affinité d’un substrat SLI preshifted pour SLV est extrêmement élevée, rendant cette interaction plus stable que ce qui est prédit pour un duplexe d’ARN équivalent. De plus, l’étude effectuée par ITC montre que des ARN SLI preshifted présentent une meilleure affinité pour SLV que des ARN SLI shiftable, ce qui a permis de calculer le coût énergétique associé au réarrangement de structure du substrat. En plus de confirmer la formation des trois paires de bases W-C prédites à la jonction I/V, les études de RMN ont permis d’obtenir une preuve structurale directe du réarrangement structural des substrats SLI shiftable en présence de magnésium et de l’ARN SLV. La structure RMN d’un complexe SLI/SLV de grande affinité démontre que les boucles terminales de SLI et SLV forment chacune un motif U-turn, ce qui facilite l’appariement W-C intermoléculaire. Plusieurs autres interactions ont été définies à l’interface I/V, notamment des triplets de bases, ainsi que des empilements de bases. Ces interactions contribuent d’ailleurs à la création d’une structure présentant un empilement continu, c’est-à-dire qui se propage du centre de l’interaction jusqu’aux bouts des tiges de SLI et SLV. Ces études de RMN permettent donc de mieux comprendre la stabilité exceptionnelle de l’interaction kissing-loop I/V au niveau structural et mènent à l’élaboration d’un modèle cinétique de l’activation du substrat par le ribozyme VS. En considérant l’ensemble des données d’ITC et de RMN, l’étonnante stabilité de l’interaction I/V s’explique probablement par une combinaison de facteurs, dont les motifs U-turn, la présence d’un nucléotide exclu de la boucle de SLV (U700), la liaison de cations magnésium et l’empilement de bases continu à la jonction I/V.

Riboflavin analgs from Streptomyces davawensisas antiinfectives: mode of action, mechanism of resistance of the producer and metabolization by humans

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

A dual control mechanism synchronizes riboflavin and sulphur metabolism in Bacillus subtilis

Flavin mononucleotide (FMN) riboswitches are genetic elements, which in many bacteria control genes responsible for biosynthesis and/or transport of riboflavin (rib genes). Cytoplasmic riboflavin is rapidly and almost completely converted to FMN by flavokinases. When cytoplasmic levels of FMN are sufficient (high levels), FMN binding to FMN riboswitches leads to a reduction of rib gene expression. We report here that the protein RibR counteracts the FMN-induced turn-off activities of both FMN riboswitches in Bacillus subtilis, allowing rib gene expression even in the presence of high levels of FMN. The reason for this secondary metabolic control by RibR is to couple sulfur metabolism with riboflavin metabolism.

Enzyme tRNA interaction and (t)RNA conformation probed via environmentally sensitive cyanine dyes

Nukleosidmodifikationen beeinflussen Dynamik und Konformation von RNArnund sind epigenetisch wirksam. Wenig verstanden sind konformationelle Dynamik und enzymatische Erkennung von tRNA, sowie der Einfluss des mutmaßlichen kovalenten Inhibitors 5-Fluorouridine (5FU) auf Y Synthasen, die Pseudouridin (Y) erzeugen. Frühere Arbeiten nutzten mit den Fluorophoren Cy3 und Cy5rnmarkierte tRNA, um diese Fragen zu adressieren.rnDie vorliegende Arbeit weitet Cy3-Cy5-Markierung auf Hefe tRNArnPhernaus undrnnutzt Thermophorese und fortschrittliche Fluoreszenzspektroskopie. In der Thermophorese zeigte sich eine hohe Toleranz gegenüber Fluoreszenzmarkierung beirngleichzeitiger Erhöhung der Cy5 Fluoreszenz durch Enzymbindung. Zudem konnte die Konformation verschiedener Mutanten human mitochondrialer tRNArnLysrnund die Bindung von SAM durch SAM-I Riboswitch RNA untersucht werden.rnUm etwaige Unterschiede in der Interaktion von Y55 Synthase TruB mit Cy5-gelabelter U55- bzw. 5FU55-tRNA aufzudecken, wurde eine Kombination ausrnThermophorese, zeit- und polarisationsaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie undrn’gel shift’ Experimenten genutzt. Alle Ergebnisse zeigten übereinstimmend einernreversible Bindung ähnlicher Affinität für beide tRNAs und widersprechen somit einer kovalenten Inhibition durch 5FU. Folgerichtig wurde der SDS-stabilernKomplex von TruB mit 5FU-tRNA neu evaluiert, da er bisher als kovalent interpretiert wurde. Es erfolgte eine schnelle Komplexbildung in hoher Ausbeute auchrnfür schlechte Substrate, außerdem ließ sich die Komplexausbeute nicht durch andere Reaktionsbedingungen beeinflussen. Somit kann der SDS stabile Komplexrnnur den ersten, nicht-kovalenten Kontakt von Enzym und 5FU55-tRNA darstellen und repräsentiert kein kovalentes Addukt späterer Katalyse.

MULTIPLE POSTTRANSCRIPTIONAL REGULATORY FEATURES CONTROL EXPRESSION OF ETHANOLAMINE UTILIZATION GENES IN ENTEROCOCCUS FAECALIS

Enterococcus faecalis is a Gram-positive bacterium that lives as a commensal organism in the mammalian gastrointestinal tract, but can behave as an opportunistic pathogen. Our lab discovered that mutation of the eutK gene attenuates virulence of E. faecalis in the C. elegans model host. eutK is part of the ethanolamine metabolic pathway which was previously unknown in E. faecalis. I discovered the presence of two unique posttranscriptional regulatory features that control expression of eut locus genes. The first feature I found is an AdoCBL riboswitch, a cis-acting RNA regulatory element that acts as a positive regulator of gene expression. The second feature I discovered is a unique two-component system, EutVW. The EutV response regulator contains an ANTAR family domain, which binds RNA to trigger transcriptional antitermination. I determined that induction of expression of several genes in the eut locus is dependent on ethanolamine, AdoCBL and the two-component system. AdoCBL and ethanolamine are both required for induction of eut locus gene expression. Additionally, I discovered eutG is regulated by a unique mechanism of antitermination. Both the AdoCBL riboswitch and EutV response regulator control the expression of the downstream gene eutG. EutV potentially acts through a novel antitermination mechanism in which a dimer of EutV binds to a pair of mRNA stem loops forming an antitermination complex. My data show a unique mechanism by which two environmental signals are integrated by two different posttranscriptional regulators to regulate a single locus.

Synthetic regulation of eukaryotic gene expression by noncoding RNA

Synthetic biological systems promise to combine the spectacular diversity of biological functionality with engineering principles to design new life to address many pressing needs. As these engineered systems advance in sophistication, there is ever-greater need for customizable, situation-specific expression of desired genes. However, existing gene control platforms are generally not modular, or do not display performance requirements required for robust phenotypic responses to input signals. This work expands the capabilities of eukaryotic gene control in two important directions.

For development of greater modularity, we extend the use of synthetic self-cleaving ribozyme switches to detect changes in input protein levels and convey that information into programmed gene expression in eukaryotic cells. We demonstrate both up- and down-regulation of levels of an output transgene by more than 4-fold in response to rising input protein levels, with maximal output gene expression approaching the highest levels observed in yeast. In vitro experiments demonstrate protein-dependent ribozyme activity modulation. We further demonstrate the platform in mammalian cells. Our switch devices do not depend on special input protein activity, and can be tailored to respond to any input protein to which a suitable RNA aptamer can be developed. This platform can potentially be employed to regulate the expression of any transgene or any endogenous gene by 3’ UTR replacement, allowing for more complex cell state-specific reprogramming.

We also address an important concern with ribozyme switches, and riboswitch performance in general, their dynamic range. While riboswitches have generally allowed for versatile and modular regulation, so far their dynamic ranges of output gene modulation have been modest, generally at most 10-fold. We address this shortcoming by developing a modular genetic amplifier for near-digital control of eukaryotic gene expression. We combine ribozyme switch-mediated regulation of a synthetic TF with TF-mediated regulation of an output gene. The amplifier platform allows for as much as 20-fold regulation of output gene expression in response to input signal, with maximal expression approaching the highest levels observed in yeast, yet being tunable to intermediate and lower expression levels. EC50 values are more than 4 times lower than in previously best-performing non-amplifier ribozyme switches. The system design retains the modular-input architecture of the ribozyme switch platform, and the near-digital dynamic ranges of TF-based gene control.

Together, these developments suggest great potential for the wide applicability of these platforms for better-performing eukaryotic gene regulation, and more sophisticated, customizable reprogramming of cellular activity.