БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 5, с. 704–718
УДК 577.124
Чувствительный к L-арабинозе фактор транскрипции AraR отрицательно регулирует устойчивость Mycobacterium smegmatis к изониазиду*
1 National Key Laboratory of Agricultural Microbiology, College of Life Science and Technology, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; E-mail: lwhlbx@163.com
2 State Key Laboratory for Conservation and Utilization of Subtropical Agro-bioresources, College of Life Science and Technology, Guangxi University, Nanning 530004, China
Поступила в редакцию 09.09.2018
После доработки 06.01.2019
Принята к публикации 24.01.2019
DOI: 10.1134/S0320972519050087
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: AraR, микобактерии, L-арабиноза, устойчивость к антибиотикам.
Аннотация
L-Арабиноза является важным компонентом клеточной стенки микобактерий. Она участвует в синтезе арабиногалактана и арабинозы, маннозы и других сахаров, что оказывает влияние на проницаемость клеточной стенки и лекарственную устойчивость. Однако до сих пор неясно, может ли L-арабиноза действовать в качестве эффективной молекулы, влияющей на устойчивость микобактерий к антибиотикам. Также не выяснен регуляторный механизм, определяющий ее действие. В настоящей работе нами был охарактеризован новый транскрипционный фактор AraR из Mycobacterium smegmatis, который реагирует на L-арабинозу и регулирует чувствительность микобактерий к изониазиду (INH). Было показано, что AraR специфически распознает два консервативных мотива длиной 15 п.н. в вышележащем регуляторном участке арабинозного оперона, обозначаемого как araR-оперон. AraR функционирует как репрессор транскрипции и осуществляет отрицательную регуляцию экспрессии оперона. В отличие от действия AraR, сверхэкспрессия araR-оперона способствует развитию устойчивости микобактерий к INH. Поразительно, что L-арабиноза может действовать в качестве эффективной молекулы и приводить к дерепрессии ингибирования транскрипции AraR. Штамм с нокаутом AraR был более устойчив к INH, чем штамм дикого типа, в то время как штамм со сверхэкспрессией AraR был более чувствителен к препарату. Добавление в среду L-арабинозы может значительно повышать устойчивость штамма дикого типа, но не оказывает влияние на штамм с нокаутом гена AraR. Таким образом, в настоящей работе был выявлен новый фактор транскрипции, чувствительный к L-арабинозе, и установлена регуляция его активности при возникновении устойчивости бактерий к антибиотикам. Эти результаты дают ключ к дальнейшему пониманию механизма регуляции с участием молекул сахаров и ее взаимосвязи с лекарственной устойчивостью микобактерий.
Текст статьи
Сноски
* Приложение к статье на английском языке опубликовано на сайте журнала «Biochemistry» (Moscow) и на сайте издательства Springer (link.springer.com), том 84, вып. 5, 2019.
** Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Работа выполнена при поддержке Национальной R&D программы Китая (National Key R&D Program of China; 2017YFD0500300), Национального фонда естественных наук Китая (National Natural Science Foundation of China; 31730005, 31670075 и 31870036) и Программы стажировок Chang Jiang (Chang Jiang Scholars Program; предоставлена Z.-G. He).
Вклад авторов
W. Li спланировал и координировал выполнение работы; L. Zhou и W. Li проводили эксперименты. Все авторы внесли вклад в интерпретацию результатов и формулировку выводов. W. Li, Z.-G. He и L. Zhou интерпретировали результаты и написали текст статьи.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Соблюдение этических норм
Настоящая статья не содержит описания выполненных авторами исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.
Список литературы
1. World Health Organization (WHO) (2017) Global tuberculosis report 2017, World Health Organization, Geneva, p. 1.
2. Fonseca, J.D., Knight, G.M., and McHugh, T.D. (2015) The complex evolution of antibiotic resistance in Mycobacterium tuberculosis, Int. J. Infect. Dis., 32, 94–100.
3. Nguyen, L. (2016) Antibiotic resistance mechanisms in M. tuberculosis: an update, Arch. Toxicol., 90, 1585–1604.
4. Li, X.Z., Zhang, L., and Nikaido, H. (2004) Efflux pump-mediated intrinsic drug resistance in Mycobacterium smegmatis, Antimicrob. Agents. Chemother., 48, 2415–2423.
5. De Rossi, E., Ainsa, J.A., and Riccardi, G. (2006) Role of mycobacterial efflux transporters in drug resistance, FEMS Microbiol., 30, 36–52.
6. Louw, G.E., Warren, R.M., Gey van Pittius, N.C., McEvoy, C.R., Van Helden, P.D., and Victor, T.C. (2009) A balancing act: efflux/influx in mycobacterial drug resistance, Antimicrob. Agents. Chemother., 53, 3181–3189.
7. Barry, C.E., and Mdluli, K. (1996) Drug sensitivity and environmental adaptation of mycobacterial cell wall components, Trends Microbiol., 4, 275–281.
8. Ojha, A.K., Baughn, A.D., Sambandan, D., Hsu, T., Trivelli, X., Guerardel, Y., Alahari, A., Kremer, L., Jacobs, W.R., Jr., and Hatfull, G.F. (2008) Growth of Mycobacterium tuberculosis biofilms containing free mycolic acids and harbouring drug-tolerant bacteria, Mol. Microbiol., 69, 164–174.
9. Singh, A., Jain, S., Gupta, S., Das, T., and Tyagi, A.K. (2003) mymA operon of Mycobacterium tuberculosis: its regulation and importance in the cell envelope, FEMS Microbiol. Lett., 227, 53–63.
10. Forrellad, M.A., Klepp, L.I., Gioffre, A., Sabio Garcia, J., Morbidoni, H.R., de la Paz Santangelo, M., Cataldi, A.A., and Biqi, F. (2013) Virulence factors of the Mycobacterium tuberculosis complex, Virulence, 4, 3–66.
11. Jiang, T., Cai, L., Zhao, X., He, L., Ma, Y., Zang, S., Zhang, C., Li, X., and Xin, Y. (2014) Functional identification of MSMEG_6402 protein from Mycobacterium smegmatis in decaprenylphosphoryl-D-arabinose biosynthesis, Microb. Pathog., 76, 44–50.
12. Andriole, V.T. (2005) The quinolones: past, present, and future, Clin. Infect. Dis., 15, 113–119.
13. Vetting, M.W., Hegde, S.S., Fajardo, J.E., Fiser, A., Roderick, S.L., Takiff, H.E., and Blanchard, J.S. (2006) Pentapeptide repeat proteins, Biochemistry, 45, 1–10.
14. Warrier, T., Kapilashrami, K., Argyrou, A., Ioerger, T.R., Little, D., Murphy, K.C., Nandakumar, M., Park, S., Gold, B., Mi, J., Zhang, T., Meiler, E., Rees, M., Somersan-Karakaya, S., Porras-De Francisco, E., Martinez-Hoyos, M., Burns-Huang, K., Roberts, J., Ling, Y., Rhee, K.Y., Mendoza-Losana, A., Luo, M., and Nathan, C.F. (2016) N-methylation of a bactericidal compound as a resistance mechanism in Mycobacterium tuberculosis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 113, 4523–4530.
15. Johnson, R., Streicher, E.M., Louw, G.E., Warren, R.M., van Helden, P.D., and Victor, T.C. (2006) Drug resistance in Mycobacterium tuberculosis, Curr. Issues Mol. Biol., 8, 97.
16. Belanger, A.E., Besra, G.S., Ford, M.E., Mikusova, K., Belisle, J.T., Brennan, P.J., and Inamine, J.M. (1996) The embAB genes of Mycobacterium avium encode an arabinosyl transferase involved in cell wall arabinan biosynthesis that is the target for the antimycobacterial drug ethambutol, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 11919–11924.
17. Bhat, Z.S., Rather, M.A., Maqbool, M., Lah, H.U., Yousuf, S.K., and Ahmad, Z. (2017) Cell wall: a versatile fountain of drug targets in Mycobacterium tuberculosis, Biomed. Pharmacother., 95, 1520–1534.
18. Sa-Nogueira, I., and Mota, L.J. (1997) Negative regulation of L-arabinose metabolism in Bacillus subtilis: characterization of the araR (araC) gene, J. Bacteriol., 179, 1598–1608.
19. Schleif, R. (2000) Regulation of the L-arabinose operon of Escherichia coli, Trends. Genet., 16, 559–565.
20. Sharma, K., Gupta, M., Pathak, M., Gupta, N., Koul, A., Sarangi, S., Baweja, R., and Singh, Y. (2006) Transcriptional control of the mycobacterial embCAB operon by PknH through a regulatory protein, EmbR, in vivo, J. Bacteriol., 188, 2936–2944.
21. Li, W., and He, Z.G. (2012) LtmA, a novel cyclic diGMP-responsive activator, broadly regulates the expression of lipid transport and metabolism genes in Mycobacterium smegmatis, Nucleic Acids Res., 40, 11292–11307.
22. Wang, Y., Huang, Y., Xue, C., He, Y., and He, Z.G. (2011) A ClpR-like regulator specifically recognizes a RecA-independent promoter motif and broadly regulates expression of DNA damage inducible genes in mycobacteria, J. Biol. Chem., 286, 31159–31167.
23. Guo, M., Feng, H., Zhang, J., Wang, W., Wang, Y., Li, Y., Gao, C., Chen, H., Feng, Y., and He, Z.G. (2009) Dissecting transcription regulatory pathways through a new bacterial one-hybrid reporter system, Genome Res., 19, 1301–1308.
24. Frank, S.R., Schroeder, M., Fernandez, P., Taubert, S., and Amati, B. (2001) Binding of c-Myc to chromatin mediates mitogen-induced acetylation of histone H4 and gene activation, Genes Dev., 15, 2069–2082.
25. Li, W., Li, M., Hu, L., Zhu, J., Xie, Z., Chen, J., and He, Z.G. (2018) HpoR, a novel c-di-GMP effective transcription factor, links the second messenger’s regulatory function to the mycobacterial antioxidant defense, Nucleic Acids Res., 46, 3595–3611.
26. Moker, N., Brocker, M., Schaffer, S., Kramer, R., Morbach, S., and Bott, M. (2004) Deletion of the genes encoding the MtrA-MtrB two-component system of Corynebacterium glutamicum has a strong influence on cell morphology, antibiotics susceptibility and expression of genes involved in osmoprotection, Mol. Microbiol., 54, 420–438.
27. Livak, K.J., and Schmittgen, T.D. (2001) Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2–ΔΔCT, Methods, 25, 402–408.
28. Stover, C.K., de la Cruz, V.F., Fuerst, T.R., Burlein, J.E., Benson, L.A., Bennett, L.T., Bansal, G.P., Young, J.F., Lee, M.H., and Hatfull, G.F. (1991) New use of BCG for recombinant vaccines, Nature, 351, 456–460.
29. Rao, M., Liu, H., Yang, M., Zhao, C., and He, Z.G. (2012) A copper-responsive global repressor regulates expression of diverse membrane-associated transporters and bacterial drug resistance in mycobacteria, J. Biol. Chem., 287, 39721–39731.
30. Brennan, P.J. (2003) Structure, function, and biogenesis of the cell wall of Mycobacterium tuberculosis, Tuberculosis (Edinb), 83, 91–97.
31. Delcenserie, V., Lapointe, G., Charaslertrangsi, T., Rabalski, A., and Griffiths, M.W. (2012) Glucose decreases virulence gene expression of Escherichia coli O157:H7, J. Food. Prot., 75, 748.
32. Gartner, D., Degenkolb, J., Ripperger, J.A., Allmansberger, R., and Hillen, W. (1992) Regulation of the Bacillus subtilis W23 xylose utilization operon: interaction of the Xyl repressor with the xyl operator and the inducer xylose, Mol. Gen. Genet., 232, 415–422.
33. Stephens, C., Christen, B., Watanabe, K., Fuchs, T., and Jenal, U. (2007) Regulation of D-xylose metabolism in Caulobacter crescentus by a LacI-type repressor, J. Bacteriol., 189, 8828–8834.
34. Kuge, T., Teramoto, H., Yukawa, H., and Inui, M. (2014) The LacI-type transcriptional regulator AraR acts as an L-arabinose-responsive repressor of L-arabinose utilization genes in Corynebacterium glutamicum ATCC 31831, J. Bacteriol., 196, 2242–2254.
35. Mota, L.J., Tavares, P., and Sa-Nogueira, I. (1999) Mode of action of AraR, the key regulator of L-arabinose metabolism in Bacillus subtilis, Mol. Microbiol., 33, 476–489.
36. Takata, G., Poonperm, W., Rao, D., Souda, A., Nishizaki, T., Morimoto, K., and Izumori, K. (2007) Cloning, expression, and transcription analysis of L-arabinose isomerase gene from Mycobacterium smegmatis SMDU, Biosci. Biotechnol. Biochem., 71, 2876–2885.
37. Vilcheze, C., and Jacobs, W.R., Jr. (2007) The mechanism of isoniazid killing: clarity through the scope of genetics, Annu. Rev. Microbiol., 61, 35–50.
38. Hazbon, M.H., Brimacombe, M., Bobadilla, del Valle, M., Cavatore, M., Guerrero, M.I., Varma-Basil, M., Billman-Jacobe, H., Lavender, C., Fyfe, J., Garcia-Garcia, L., Leon, C.I., Bose, M., Chaves, F., Murray, M., Eisenach, K.D., Sifuentes-Osornio, J., Cave, M.D., Ponce, de Leon, A., and Alland, D. (2006) Population genetics study of isoniazid resistance mutations and evolution of multidrug-resistant Mycobacterium tuberculosis, Antimicrob. Agents Chemother., 50, 2640–2649.
39. Zhang, Y., Heym, B., Allen, B., Young, D., and Cole, S.T. (1992) The catalase-peroxidase gene and isoniazid resistance of Mycobacterium tuberculosis, Nature, 358, 591–593.
40. Banerjee, A., Dubnau, E., Quemard, A., Balasubramanian, V., Um, K.S., Wilson, T., Collins, D., de Lisle, G., and Jacobs, W.R., Jr. (1994) inhA, a gene encoding a target for isoniazid and ethionamide in Mycobacterium tuberculosis, Science, 263, 227–230.
41. Colangeli, R., Helb, D., Sridharan, S., Sun, J., Varma-Basil, M., Hazbon, M.H., Harbacheuski, R., Megjugorac, N.J., Jacobs, W.R., Jr, Holzenburg, A., Sacchettini, J.C., and Alland, D. (2005) The Mycobacterium tuberculosis iniA gene is essential for activity of an efflux pump that confers drug tolerance to both isoniazid and ethambutol, Mol. Microbiol., 55, 1829–1840.
42. Magliozzo, R.S., and Marcinkevicience, J.A. (1996) Evidence for isoniazid oxidation by oxyferrous mycobacterial catalase-peroxidase, J. Am. Chem. Soc., 118, 11303–11304.
43. Wengenack, N.L., Lopes, H., Kennedy, M.J., Tavares, P., Pereira, A.S., Moura, I., Moura, J.J., and Rusnak, F. (2000) Redox potential measurements of the Mycobacterium tuberculosis heme protein KatG and the isoniazid-resistant enzyme KatG (S315T): insights into isoniazid activation, Biochemistry, 39, 11508–11513.