The investigation of promoter sequences of staphylococcal saoABC operon and its role in persister formation

Mechanizmy regulacji ekspresji genów pełnią kluczową rolę w metabolizmie komórki bakteryjnej, odpowiadając zarówno za podstawowe funkcje jak i reakcje na bodźce ze środowiska zewnętrznego. Poznanie mechanizmów molekularnych jest szczególnie ważne w leczeniu zakażeń wywołanych gronkowcem złocistym (Staphylococcus aureus) ze względu na rosnącą antybiotykooporność wśród szczepów tej bakterii. Nieskuteczność terapii wymusza poznanie mechanizmów molekularnych leżących u podstaw procesów biochemicznych zachodzących w komórce oraz projektowanie nowych substancji o działaniu bakterioststycznym lub bakteriobójczym. Operon saoABC obejmuje geny zaangażowane w regulację odpowiedzi na stres. Składa się on z trzech genów kodujących białka, które tworzą potencjalnie nieznany system regulacji ekspresji genów. Białko SaoC posiada zdolność wiązania DNA, prawdopodobnie dzięki motywom helisa-skręt-helisa występującym w sekwencji aminokwasowej. W poszczególnych regionach promotorowych genów operonu saoABC można wyróżnić motywy rozpoznawane przez podjednostki sigma bakteryjnej polimerazy RNA. W promotorze genu saoC występuje motyw sekwencji podobny do wzorów, które rozpoznają alternatywne podjednostki sigma oraz konserwatywna sekwencja palindromowa. W pracy uwaga została skierowana na analizę miejsc promotorowych genów saoA i saoC. Ustalono, że białko SaoC wiąże DNA w obrębie sekwencji palindromowej w rejonie promotorowym genu saoC. W kolejnych badaniach postanowiono sprawdzić jak opisane oddziaływanie wpłynie na ekspresję genów w komórkach bakteryjnych Escherichia coli, jednak nie udało się uzyskać oczekiwanych rezultatów. Wyniki identyfikacji białek wiążących się do sekwencji powyżej genu saoA wykazały, że do tego regionu wiążą się podjednostki polimerazy RNA, co wskazuje, że w tym obszarze występuje promotor bakteryjny. Ponadto, wykazano, że gen saoB posiada zasadniczy wpływ na powstawanie komórek typu persisters, co łączy funkcję operonu saoABC z odpowiedzią na warunki stresowe. Niemniej poznanie mechanizmu działania operonu saoABC oraz ustalenie jego funkcji wymagają dalszych szczegółowych badań.Badania przeprowadzone na potrzeby niniejszej pracy zostały sfinansowane ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych w ramach projektu nr 2016/21/D/NZ1/00273.

The mechanisms of gene expression regulation play a key role in the metabolism of the bacterial cell, by being responsible for the basic functions as well as the response to stimuli from the external environment. Understanding the molecular basis of gene expression regulation is particularly important in the treatment of Staphylococcus-related infections due to the increasing antibiotic resistance among staphylococci and clinically relevant bacteria in general. The ineffectiveness of therapy necessitates an understanding of molecular mechanisms occurring in the cell and the design of new active molecules. The saoABC operon encodes genes involved in regulation in response to stress. It consists of three genes coding for proteins that make up an unknown system of gene expression regulation. The SaoC protein has the ability to bind to DNA, likely due to helix-coil-helix motifs found in its amino acid sequence. In individual promoter regions of the saoABC operon genes, motifs recognised by sigma subunits can be distinguished. The saoC gene promoter has a sequence motif similar to the patterns that is recognised by alternative sigma subunits and a conserved palindromic sequence. The purpose of the present study was to analyse the promoter sites of the saoA and saoC genes. It was demonstrated that the SaoC protein binds within the palindromic sequence in the promoter region of the saoC gene. For further analysis, it was decided to check how this binding would affect the expression of genes in Escherichia coli bacterial cells, but conclusive results could not be obtained. Identification of proteins that bind to sequences upstream the saoA gene have shown that RNA polymerase subunits bind to this region, confirming that a bacterial promoter is present in this region. Moreover the saoB gene has been shown to reduce the formation of persister cells, thus linking yet again the function of the saoABC operon with the response to stress conditions. Nevertheless, understanding the mechanism underlaying the function of the saoABC operon still requires further investigation.Research carried out for the purposes of this work has been financed from the funds of the National Science Center awarded under project 2016/21/D/NZ1/00273.