Published December 24, 2019
| Version v1
Publication
Open
Transmembrane Prolines Mediate Signal Sensing and Decoding in Bacillus subtilis DesK Histidine Kinase
Creators
- 1. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario
- 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
- 3. National University of Rosario
- 4. SIB Swiss Institute of Bioinformatics
- 5. École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Description
Environmental awareness is an essential attribute of all organisms. The homeoviscous adaptation system of Bacillus subtilis provides a powerful experimental model for the investigation of stimulus detection and signaling mechanisms at the molecular level. These bacteria sense the order of membrane lipids with the transmembrane (TM) protein DesK, which has an N-terminal sensor domain and an intracellular catalytic effector domain. DesK exhibits autokinase activity as well as phosphotransferase and phosphatase activities toward a cognate response regulator, DesR, that controls the expression of an enzyme that remodels membrane fluidity when the temperature drops below ∼30°C. Membrane fluidity signals are transmitted from the DesK sensor domain to the effector domain via rotational movements of a connecting 2-helix coiled coil (2-HCC). Previous molecular dynamic simulations suggested important roles for TM prolines in transducing the initial signals of membrane fluidity status to the 2-HCC. Here, we report that individual replacement of prolines in DesKs TM1 and TM5 helices by alanine (DesKPA) locked DesK in a phosphatase-ON state, abrogating membrane fluidity responses. An unbiased mutagenic screen identified the L174P replacement in the internal side of the repeated heptad of the 2-HCC structure that alleviated the signaling defects of every transmembrane DesKPA substitution. Moreover, substitutions by proline in other internal positions of the 2-HCC reestablished the kinase-ON state of the DesKPA mutants. These results imply that TM prolines are essential for finely tuned signal generation by the N-terminal sensor helices, facilitating a conformational control by the metastable 2-HCC domain of the DesK signaling state.IMPORTANCE Signal sensing and transduction is an essential biological process for cell adaptation and survival. Histidine kinases (HK) are the sensory proteins of two-component systems that control many bacterial responses to different stimuli, like environmental changes. Here, we focused on the HK DesK from Bacillus subtilis, a paradigmatic example of a transmembrane thermosensor suited to remodel membrane fluidity when the temperature drops below 30°C. DesK provides a tractable system for investigating the mechanism of transmembrane signaling, one of the majors interrogates in biology to date. Our studies demonstrate that transmembrane proline residues modulate the conformational switch of a 2-helix coiled-coil (2-HCC) structural motif that controls input-output in a variety of HK. Our results highlight the relevance of proline residues within sensor domains and could inspire investigations of their role in different signaling proteins.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
الوعي البيئي هو سمة أساسية لجميع الكائنات الحية. يوفر نظام التكيف اللزجي للعصية الرقيقة نموذجًا تجريبيًا قويًا للتحقيق في آليات الكشف عن المنبهات وإرسال الإشارات على المستوى الجزيئي. تستشعر هذه البكتيريا ترتيب الدهون الغشائية مع بروتين DesK عبر الغشاء (TM)، والذي يحتوي على مجال مستشعر N - terminal ومجال مستجيب حفاز داخل الخلايا. يُظهر DesK نشاط الأوتوكيناز بالإضافة إلى أنشطة ناقلة الفوسفات والفوسفاتيز نحو منظم استجابة مشابه، DesR، يتحكم في التعبير عن إنزيم يعيد تشكيل سيولة الغشاء عندما تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من 30 درجة مئوية. يتم إرسال إشارات سيولة الغشاء من مجال مستشعر DesK إلى مجال المستجيب عبر الحركات الدورانية لملف ملف ثنائي الحلزون (2 - HCC). اقترحت المحاكاة الديناميكية الجزيئية السابقة أدوارًا مهمة لبرولين ذاكرة الترجمة في نقل الإشارات الأولية لحالة سيولة الغشاء إلى 2 - HCC. هنا، نبلغ عن أن الاستبدال الفردي للخطوط البرولية في حلزونات DesKs TM1 و TM5 بواسطة الألانين (DesKPA) قد حبس DesK في حالة فوسفاتيز أون، مما يلغي استجابات سيولة الغشاء. حددت شاشة طفرات جينية غير متحيزة استبدال L174P في الجانب الداخلي من السباعي المتكرر لهيكل 2 - HCC الذي خفف من عيوب الإشارة لكل استبدال DesKPA عبر الغشاء. علاوة على ذلك، فإن الاستبدالات بالبرولين في المواقف الداخلية الأخرى لـ 2 - HCC أعادت تأسيس حالة الكيناز في طفرات DesKPA. تشير هذه النتائج إلى أن خطوط طليعة ذاكرة الترجمة ضرورية لتوليد إشارة مضبوطة بدقة بواسطة حلزونات مستشعر N - terminal، مما يسهل التحكم التوافقي من خلال مجال 2 - HCC غير المستقر لحالة إشارة DesK. يعد استشعار إشارة IMPORTANCE ونقلها عملية بيولوجية أساسية لتكيف الخلية وبقائها. كيناز الهيستيدين (HK) هي البروتينات الحسية للأنظمة ثنائية المكونات التي تتحكم في العديد من الاستجابات البكتيرية للمحفزات المختلفة، مثل التغيرات البيئية. هنا، ركزنا على HK DesK من Bacillus subtilis، وهو مثال نموذجي لمستشعر حراري عبر الغشاء مناسب لإعادة تشكيل سيولة الغشاء عندما تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من 30 درجة مئوية. يوفر DesK نظامًا قابلًا للسحب للتحقيق في آلية إرسال الإشارات عبر الغشاء، وهو أحد التخصصات التي تستجوب في علم الأحياء حتى الآن. تُظهر دراساتنا أن بقايا البرولين عبر الغشاء تعدل المفتاح التكويني للزخارف الهيكلية الملفوفة ثنائية الحلزون (2 - HCC) التي تتحكم في المدخلات والمخرجات في مجموعة متنوعة من هونج كونج. تسلط نتائجنا الضوء على أهمية بقايا البرولين داخل مجالات الاستشعار ويمكن أن تلهم التحقيقات في دورها في بروتينات الإشارات المختلفة.Translated Description (French)
La conscience environnementale est un attribut essentiel de tous les organismes. Le système d'adaptation homéoviscusque de Bacillus subtilis fournit un modèle expérimental puissant pour l'étude des mécanismes de détection et de signalisation des stimuli au niveau moléculaire. Ces bactéries détectent l'ordre des lipides membranaires avec la protéine transmembranaire (TM) DesK, qui possède un domaine capteur N-terminal et un domaine effecteur catalytique intracellulaire. DesK présente une activité autokinase ainsi que des activités phosphotransférase et phosphatase envers un régulateur de réponse apparenté, DesR, qui contrôle l'expression d'une enzyme qui remodèle la fluidité de la membrane lorsque la température descend en dessous de 30 °C. Les signaux de fluidité de la membrane sont transmis du domaine du capteur DesK au domaine de l'effecteur via les mouvements de rotation d'une bobine hélicoïdale à 2 hélices de connexion (2-HCC). Des simulations dynamiques moléculaires antérieures ont suggéré des rôles importants pour les prolines TM dans la transduction des signaux initiaux de l'état de fluidité de la membrane vers le 2-HCC. Ici, nous rapportons que le remplacement individuel des prolines dans les hélices DesK TM1 et TM5 par l'alanine (DesKPA) a bloqué DesK dans un état phosphatase-ON, abrogeant les réponses de fluidité membranaire. Un dépistage mutagène non biaisé a identifié le remplacement de L174P dans le côté interne de l'heptad répété de la structure 2-HCC qui atténuait les défauts de signalisation de chaque substitution transmembranaire de DesKPA. De plus, les substitutions par la proline dans d'autres positions internes du 2-HCC ont rétabli l'état kinase-ON des mutants DesKPA. Ces résultats impliquent que les prolines TM sont essentiels pour la génération de signaux finement réglés par les hélices du capteur N-terminal, facilitant un contrôle conformationnel par le domaine 2-HCC métastable de l'état de signalisation DesK. La détection et la transduction du signal d'importation sont un processus biologique essentiel pour l'adaptation et la survie des cellules. Les histidine kinases (HK) sont les protéines sensorielles des systèmes à deux composants qui contrôlent de nombreuses réponses bactériennes à différents stimuli, comme les changements environnementaux. Ici, nous nous sommes concentrés sur le HK DesK de Bacillus subtilis, un exemple paradigmatique d'un thermocapteur transmembranaire adapté pour remodeler la fluidité de la membrane lorsque la température descend en dessous de 30 ° C. DesK fournit un système maniable pour étudier le mécanisme de la signalisation transmembranaire, l'une des principales interrogations en biologie à ce jour. Nos études démontrent que les résidus de proline transmembranaires modulent la commutation conformationnelle d'un motif structurel en spirale à 2 hélices (2-HCC) qui contrôle l'entrée-sortie dans une variété de HK. Nos résultats mettent en évidence la pertinence des résidus de proline dans les domaines des capteurs et pourraient inspirer des recherches sur leur rôle dans différentes protéines de signalisation.Translated Description (Spanish)
La conciencia ambiental es un atributo esencial de todos los organismos. El sistema de adaptación homeoviscosa de Bacillus subtilis proporciona un poderoso modelo experimental para la investigación de la detección de estímulos y mecanismos de señalización a nivel molecular. Estas bacterias detectan el orden de los lípidos de membrana con la proteína transmembrana (TM) DesK, que tiene un dominio sensor N-terminal y un dominio efector catalítico intracelular. DesK exhibe actividad de autoquinasa, así como actividades de fosfotransferasa y fosfatasa hacia un regulador de respuesta afín, DesR, que controla la expresión de una enzima que remodela la fluidez de la membrana cuando la temperatura cae por debajo de ~30 °C. Las señales de fluidez de la membrana se transmiten desde el dominio del sensor DesK al dominio efector a través de los movimientos de rotación de una bobina en espiral de 2 hélices de conexión (2-HCC). Las simulaciones dinámicas moleculares anteriores sugirieron papeles importantes para las prolinas de TM en la transducción de las señales iniciales del estado de fluidez de la membrana al 2-HCC. Aquí, informamos que el reemplazo individual de prolinas en las hélices TM1 y TM5 de DesK por alanina (DesKPA) bloqueó a DesK en un estado de fosfatasa activada, anulando las respuestas de fluidez de la membrana. Un cribado mutagénico imparcial identificó el reemplazo de L174P en el lado interno de la heptada repetida de la estructura de 2-HCC que alivió los defectos de señalización de cada sustitución de DesKPA transmembrana. Además, las sustituciones por prolina en otras posiciones internas del 2-HCC restablecieron el estado de activación de la quinasa de los mutantes de DesKPA. Estos resultados implican que las prolinas TM son esenciales para la generación de señales finamente sintonizadas por las hélices del sensor N-terminal, lo que facilita un control conformacional por el dominio metaestable 2-HCC del estado de señalización DesK. La detección y transducción de señales es un proceso biológico esencial para la adaptación y supervivencia celular. Las histidina quinasas (HK) son las proteínas sensoriales de sistemas de dos componentes que controlan muchas respuestas bacterianas a diferentes estímulos, como los cambios ambientales. Aquí, nos centramos en el HK DesK de Bacillus subtilis, un ejemplo paradigmático de un termosensor transmembrana adecuado para remodelar la fluidez de la membrana cuando la temperatura cae por debajo de 30 ° C. DesK proporciona un sistema manejable para investigar el mecanismo de señalización transmembrana, uno de los principales interrogantes en biología hasta la fecha. Nuestros estudios demuestran que los residuos de prolina transmembrana modulan el cambio conformacional de un motivo estructural de 2 hélices en espiral (2-HCC) que controla la entrada-salida en una variedad de HK. Nuestros resultados destacan la relevancia de los residuos de prolina dentro de los dominios de los sensores y podrían inspirar investigaciones sobre su papel en diferentes proteínas de señalización.Files
e02564-19.full.pdf.pdf
Files
(15.9 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:15b14bcb0fa5c8904ca8edd935481382
|
15.9 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- خطوط Prolines عبر الغشاء تتوسط استشعار الإشارة وفك تشفيرها في Bacillus subtilis DesK Histidine Kinase
- Translated title (French)
- Transmembrane Prolines Mediate Signal Sensing and Decoding in Bacillus subtilis DesK Histidine Kinase
- Translated title (Spanish)
- Las prolinas transmembrana median la detección y decodificación de señales en la histidina quinasa DesK de Bacillus subtilis
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2989798726
- DOI
- 10.1128/mbio.02564-19
References
- https://openalex.org/W1517048546
- https://openalex.org/W1961177618
- https://openalex.org/W1966360786
- https://openalex.org/W1967383045
- https://openalex.org/W1976499671
- https://openalex.org/W1979149597
- https://openalex.org/W1980479597
- https://openalex.org/W1990502477
- https://openalex.org/W1995712265
- https://openalex.org/W2007240842
- https://openalex.org/W2021211500
- https://openalex.org/W2021520922
- https://openalex.org/W2023468367
- https://openalex.org/W2031282085
- https://openalex.org/W2042118984
- https://openalex.org/W2047524690
- https://openalex.org/W2047620716
- https://openalex.org/W2062972150
- https://openalex.org/W2065848527
- https://openalex.org/W2087332040
- https://openalex.org/W2095680302
- https://openalex.org/W2104996488
- https://openalex.org/W2108559568
- https://openalex.org/W2109613442
- https://openalex.org/W2123523275
- https://openalex.org/W2134762386
- https://openalex.org/W2155422793
- https://openalex.org/W2157653619
- https://openalex.org/W2498485322
- https://openalex.org/W2499905653
- https://openalex.org/W2610481981
- https://openalex.org/W2614245280
- https://openalex.org/W2768133940
- https://openalex.org/W2777006641
- https://openalex.org/W2884502717
- https://openalex.org/W2889610509
- https://openalex.org/W2901008002
- https://openalex.org/W2913442873
- https://openalex.org/W2949452547