Published September 1, 2016 | Version v1
Publication Open

EspR-dependent ESAT-6 Protein Secretion of Mycobacterium tuberculosis Requires the Presence of Virulence Regulator PhoP

Creators

  • 1. Institute of Microbial Technology
  • 2. Council of Scientific and Industrial Research
  • 3. Michigan State University

Description

Attenuation ofMycobacterium bovis BCG strain is related to the loss of the RD1-encoded ESX-1 secretion system.The ESX-1 system secretes virulence factor ESAT-6 that plays a critical role in modulation of the host immune system, which is essential for establishment of a productive infection.Previous studies suggest that among the reasons for attenuation of Mycobacterium tuberculosis H37Ra is a mutation in the phoP gene that interferes with the ESX-1 secretion system and inhibits secretion of ESAT-6.Here, we identify a totally different and distinct regulatory mechanism involving PhoP and transcription regulator EspR on transcriptional control of the espACD operon, which is required for ESX-1-dependent ESAT-6 secretion.Although both of these regulators are capable of influencing espACD expression, we show that activation of espACD requires direct recruitment of both PhoP and EspR at the espACD promoter.The most fundamental insights are derived from the inhibition of EspR binding at the espACD regulatory region of the phoP mutant strain because of PhoP-EspR protein-protein interactions.Based on these results, a model is proposed suggesting how PhoP and EspR protein-protein interactions contribute to activation of espACD expression and, in turn, control ESAT-6 secretion, an essential pathogenic determinant of M. tuberculosis.Together, these results have significant implications on the mechanism of virulence regulation of M. tuberculosis.Mycobacterium tuberculosis uses the ESX-1 secretion system to transport virulence factors in host cells (1-5).ESX-1 secretion system is encoded by the genes of the esx-1 locus, which is highly conserved in members of the M. tuberculosis complex and in other pathogenic mycobacteria (5-9).The best known ESX-1 substrates, the secreted proteins EsxA (ESAT-6) and EsxB (CFP10), have been implicated in the majority of the ESX-1-dependent modulations of host cell defense (10 -19) and therefore are considered to be essential for virulence (12)(13)(14).Consistently, deletion of the esx-1 locus abrogates ESX-1-dependent secretion and strongly attenuates M. tuberculosis (15,20).Notably, the genes encoding esx-1, located within the M. tuberculosis RD1 locus, are absent in the attenuated Mycobacterium bovis BCG and the potential vaccine strain Mycobacterium microti (15, 17).However, a chromosomally unlinked non-RD1 locus (Rv3616c-Rv3615c-Rv3614c, also designated as espA, espC, and espD) is essential for ESX-1 function (13, 21).In fact, EspA and EspC proteins themselves are substrates of the ESX-1 secretion system, thus constituting mutually dependent secretion of substrates, a notable feature of this secretion system.More recently, EspA of the tubercle bacilli has been implicated as a critical mediator of bacterial cell wall integrity and ESX-1-dependent virulence regulation (22).ESX-1 represents the first and the most characterized member of the ESX secretion family.Although intracellular concentrations of ESAT-6 are similar in both virulent M. tuberculosis H37Rv and the attenuated strain of M. tuberculosis H37Ra, the H37Ra remains defective for ESAT-6 secretion as are the phoP mutants of M. tuberculosis H37Rv (13).It was shown that a single nucleotide polymorphism within the PhoP C-terminal domain of M. tuberculosis H37Ra accounts for its defect in ESAT-6 secretion (23).Remarkably, the introduction of H37Rv.PhoP into H37Ra restored ESAT-6 secretion, establishing a clear link between PhoP and secretion of ESAT-6/CFP-10 (24).Additionally, espB of the extended RD1 locus, espR (25), and the espACD operon (Rv3616c-Rv3615c-Rv3614c) of the non-RD1 locus, which is essential for ESAT-6 secretion (21), were shown to be down-regulated by M. tuberculosis PhoP (24, 26,27).Given the relationship that exists between EspA expression with ESAT-6 secretion (13) on the one hand and between the expression of espACD and the response regulator PhoP (24, 26, 27) on the other hand, we sought to investigate the role of PhoP in ESX-1-dependent ESAT-6 secretion.At the level of regulation, precise control of the espACD operon is rather complex and multifactorial.Consistent with this, six different DNA binding regulators, namely cyclic AMP receptor protein (CRP) 6 (28), response regulator PhoP of the

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يرتبط تخفيف سلالة المتفطرة البقرية بي سي جي بفقدان نظام إفراز ESX -1 المشفر بـ RD1. يفرز نظام ESX -1 عامل الفوعة ESAT -6 الذي يلعب دورًا حاسمًا في تعديل الجهاز المناعي للمضيف، وهو أمر ضروري لإنشاء عدوى منتجة. تشير الدراسات السابقة إلى أن من بين أسباب توهين المتفطرة السلية H37Ra طفرة في جين phoP تتداخل مع نظام إفراز ESX -1 وتمنع إفراز ESAT -6. هنا، نحدد آلية تنظيمية مختلفة ومتميزة تمامًا تشمل PhoP ومنظم النسخ EspR بشأن التحكم في النسخ من مشغل espACD، وهو مطلوب لإفراز ESAT -6 المعتمد على ESX -1. على الرغم من أن كلا المنظمين قادران على التأثير على تعبير espACD، إلا أننا نظهر أن تنشيط espACD يتطلب التوظيف المباشر لكل من PhoP و EspR في مروج espACD. يتم اشتقاق الرؤى الأساسية من تثبيط ارتباط EspR في المنطقة التنظيمية espACD لسلالة phoP الطافرة بسبب تفاعلات البروتين PhoP - EspR. بناءً على هذه النتائج، يقترح نموذج يقترح كيفية تفاعلات البروتين PhoP و EspR المساهمة في تنشيط تعبير ESACD، وبالتالي التحكم في إفراز ESAT -6، وهو محدد مرضي أساسي لمرض السل. معًا، هذه النتائج لها آثار كبيرة على آلية تنظيم الفوعة لمرض السل. يستخدم السل الفطري نظام إفراز ESX -1 لنقل عوامل الفوعة في الخلايا المضيفة (1-5). يتم ترميز نظام إفراز ESX -1 بواسطة جينات موضع ESX -1، والذي يتم الحفاظ عليه بشكل كبير في أعضاء مركب السل M. وفي البكتيريا الفطرية المسببة للأمراض الأخرى (5-9). أفضل ركائز ESX -1 المعروفة، البروتينات المفرزة EsxA (ESAT -6) و EsxB (CFP10)، تم تضمينها في غالبية التعديلات التي تعتمد على ESX -1 للدفاع عن الخلايا المضيفة (10-19) وبالتالي تعتبر ضرورية للفوعة (12) (13) (14). باستمرار، فإن حذف موضع ESX -1 يلغي إفراز ESX -1 المعتمد ويخفف بشدة من السل M. (15،20). ومن الجدير بالذكر أن الجينات التي تشفر ESX -1، الموجودة داخل موضع M. السل RD1، غائبة في المتفطرة البقرية الموهنة BCG وسلالة اللقاح المحتملة المتفطرة الدقيقة (15، 17). ومع ذلك، فإن الجينات غير المرتبطة بالكروموسومات غير RD1 (Rv3616c - Rev3615c - Rev3614c، المصنفة أيضًا على أنها ESPA وESPC وESPD) ضرورية لوظيفة ESX -1 (13، 21). في الواقع، تعد بروتينات ESPA وESPC نفسها ركائز لنظام إفراز ESX -1، وبالتالي تشكل إفرازًا معتمدًا على بعضها البعض للركائز، وهي سمة بارزة لنظام الإفراز هذا. في الآونة الأخيرة، تم تضمين ESA لعصيات الدرنات كوسيط حاسم لسلامة جدار الخلية البكتيرية وتنظيم الفوعة المعتمد على ESX -1 (22) .ESX -1 يمثل العضو الأول والأكثر تميزًا في عائلة إفراز ESX. على الرغم من أن التركيزات داخل الخلايا ESAT -6 متشابهة في كل من السل الفيروسي H37Rv والسلالة الموهنة من السل الفيروسي H37Ra، يظل H37Ra معيبًا لإفراز ESAT -6 كما هو الحال مع طفرات phoP للسل الفيروسي H37Rv (13). وقد تبين أن تعدد أشكال النوكليوتيدات الفردية داخل المجال الطرفي C PhoP للسل الفيروسي H37Ra يفسر عيبه في إفراز ESAT -6 (23). ومن الجدير بالذكر أن إدخال H37Rv.PhoP في إفراز H37Ra استعاد إفراز ESAT -6، مما أدى إلى وجود صلة واضحة بين PhoP وإفراز ESAT -6/CFP -10 (24). بالإضافة إلى ذلك، يفسر spB لموضع RD1 الممتد، espR (25)، و تم عرض مشغل espACD (Rv3616c - Rv3615c - Rv3614c) للموضع غير RD1، وهو أمر ضروري لإفراز ESAT -6 (21)، على أنه خاضع للتنظيم من قبل M. السل PhoP (24، 26، 27). نظرًا للعلاقة الموجودة بين تعبير ESA مع إفراز ESAT -6 (13) من ناحية وبين التعبير عن espACD ومنظم الاستجابة PhoP (24، 26، 27) من ناحية أخرى، سعينا إلى التحقيق في دور PhoP في إفراز ESAT -6 المعتمد على ESX -1. على مستوى التنظيم، فإن التحكم الدقيق في مشغل espACD معقد إلى حد ما ومتعدد العوامل. بما يتفق مع هذا، ستة منظمات مختلفة ملزمة للحمض النووي، وهي بروتين مستقبل الأمبير الدوري (CRP) 6 (28)، منظم الاستجابة PhoP من

Translated Description (French)

L'atténuation de la souche BCG de Mycobacterium bovis est liée à la perte du système de sécrétion ESX-1 codé par RD1. Le système ESX-1 sécrète le facteur de virulence ESAT-6 qui joue un rôle essentiel dans la modulation du système immunitaire de l'hôte, ce qui est essentiel pour l'établissement d'une infection productive. Des études antérieures suggèrent que parmi les raisons de l'atténuation de Mycobacterium tuberculosis H37Ra est une mutation dans le gène phoP qui interfère avec le système de sécrétion ESX-1 et inhibe la sécrétion d'ESAT-6. Ici, nous identifions une mécanisme de régulation totalement différent et distinct impliquant PhoP et le régulateur de transcription EspR sur le contrôle transcriptionnel de l'opéron espACD, ce qui est nécessaire pour la sécrétion ESAT-6 ESX-1-dépendante.Bien que ces deux régulateurs soient capables d'influencer l'expression espACD, nous montrons que l'activation d'espACD nécessite le recrutement direct de PhoP et EspR au niveau du promoteur espACD.Les informations les plus fondamentales proviennent de l'inhibition de la liaison EspR au niveau de la région de régulation espACD de la souche mutante phoP en raison des interactions protéine-protéine PhoP-EspR.Sur la base de ces résultats, un modèle est proposé suggérant comment les interactions protéine-protéine PhoP et EspR contribuent à l'activation de l'expression d'espACD et, à leur tour, contrôlent la sécrétion d'ESAT-6, un déterminant pathogène essentiel de M. tuberculosis. Ensemble, ces résultats ont des implications significatives sur le mécanisme de régulation de la virulence de M. tuberculosis. Mycobacterium tuberculosis utilise le système de sécrétion d'ESX-1 pour transporter les facteurs de virulence dans les cellules hôtes (1-5). Le système de sécrétion d'ESX-1 est codé par les gènes du locus esx-1, qui est hautement conservé chez les membres du complexe de M. tuberculosis et dans d'autres mycobactéries pathogènes (5-9). Les substrats ESX-1 les plus connus, les protéines sécrétées EsxA (ESAT-6) et EsxB (CFP10), ont été impliqués dans la majorité des modulations ESX-1-dépendantes de la défense cellulaire de l'hôte (10 -19) et sont donc considérés comme essentiels pour la virulence (12)(13)(14) .Consistamment, la délétion du locus esx-1 supprime la sécrétion ESX-1-dépendante et atténue fortement M. tuberculosis (15,20) .Notamment, les gènes codant pour esx-1, situés dans le locus M. tuberculosis RD1, sont absents dans le BCG de Mycobacterium bovis atténué et la souche vaccinale potentielle Mycobacterium microti (15, 17).Toutefois, un locus non-RD1 chromosomiquement non lié (Rv3616c-Rv3615c-Rv3614c, également désigné comme espA, espC et espD) est essentiel pour la fonction ESX-1 (13, 21). En fait, les protéines EspA et EspC elles-mêmes sont des substrats du système de sécrétion ESX-1, constituant ainsi une sécrétion mutuellement dépendante de substrats, une caractéristique notable de ce système de sécrétion. Plus récemment, EspA des bacilles tuberculeux a été impliqué en tant que médiateur critique de l'intégrité de la paroi cellulaire bactérienne et de la régulation de la virulence dépendante de ESX-1 (22). ESX-1 représente le premier et le membre le plus caractérisé de la famille de sécrétion ESX. Bien que les concentrations intracellulaires de ESAT-6 sont similaires chez M. tuberculosis H37Rv virulent et la souche atténuée de M. tuberculosis H37Ra, le H37Ra reste défectueux pour la sécrétion d'ESAT-6 comme le sont les mutants phoP de M. tuberculosis H37Rv (13).Il a été montré qu'un seul polymorphisme nucléotidique dans le domaine C-terminal PhoP de M. tuberculosis H37Ra explique son défaut de sécrétion d'ESAT-6 (23) .L' introduction de H37Rv.PhoP dans H37Ra a restauré la sécrétion d'ESAT-6, établissant un lien clair entre PhoP et la sécrétion d'ESAT-6/CFP-10 (24) .En outre, espB du locus RD1 étendu, espR (25), et le L'opéron espACD (Rv3616c-Rv3615c-Rv3614c) du locus non-RD1, qui est essentiel pour la sécrétion d'ESAT-6 (21), s'est avéré être régulé à la baisse par M. tuberculosis PhoP (24, 26, 27). Compte tenu de la relation qui existe entre l'expression d'EspA avec la sécrétion d'ESAT-6 (13) d'une part et entre l'expression d'espACD et le régulateur de réponse PhoP (24, 26, 27) d'autre part, nous avons cherché à étudier le rôle de PhoP dans la sécrétion d'ESAT-6 dépendante d'ESX-1. Au niveau de la régulation, le contrôle précis de l'opéron espACD est plutôt complexe et multifactoriel. Conformément à cela, six régulateurs de liaison à l'ADN différents, à savoir la protéine du récepteur de l'AMP cyclique (CRP) 6 (28), régulateur de réponse PhoP du

Translated Description (Spanish)

La atenuación de la cepa BCG de Mycobacterium bovis está relacionada con la pérdida del sistema de secreción ESX-1 codificado por RD1. El sistema ESX-1 secreta el factor de virulencia ESAT-6 que desempeña un papel crítico en la modulación del sistema inmune del huésped, que es esencial para el establecimiento de una infección productiva. Estudios anteriores sugieren que entre las razones para la atenuación de Mycobacterium tuberculosis H37Ra hay una mutación en el gen phoP que interfiere con el sistema de secreción de ESX-1 e inhibe la secreción de ESAT-6. Aquí, identificamos una mecanismo regulador totalmente diferente y distinto que involucra PhoP y el regulador de transcripción EspR en el control transcripcional del operón espACD, que se requiere para la secreción de ESAT-6 dependiente de ESX-1. Aunque ambos reguladores son capaces de influir en la expresión de espACD, mostramos que la activación de espACD requiere el reclutamiento directo de PhoP y EspR en el promotor de espACD. Los conocimientos más fundamentales se derivan de la inhibición de la unión de EspR en la región reguladora de espACD de la cepa mutante de phoP debido a las interacciones proteína-proteína PhoP-EspR. Basándose en estos resultados, se propone un modelo que sugiere cómo las interacciones proteína-proteína PhoP y EspR contribuyen a la activación de la expresión de espACD y, a su vez, controlan la secreción de ESAT-6, un determinante patógeno esencial de M. tuberculosis.Juntos, estos resultados tienen implicaciones significativas en el mecanismo de regulación de la virulencia de M. tuberculosis.Mycobacterium tuberculosis utiliza el sistema de secreción ESX-1 para transportar factores de virulencia en las células huésped (1-5) .El sistema de secreción ESX-1 está codificado por los genes del locus esx-1, que está altamente conservado en los miembros del complejo de M. tuberculosis y en otras micobacterias patógenas (5-9).Los sustratos ESX-1 más conocidos, las proteínas secretadas EsxA (ESAT-6) y EsxB (CFP10), se han implicado en la mayoría de las modulaciones dependientes de ESX-1 de la defensa de la célula huésped (10 -19) y, por lo tanto, se consideran esenciales para la virulencia (12)(13)(14) .Consistentemente, la eliminación del locus esx-1 anula la secreción dependiente de ESX-1 y atenúa fuertemente M. tuberculosis (15,20) .Notablemente, los genes que codifican esx-1, ubicados dentro del locus RD1 de M. tuberculosis, están ausentes en el Mycobacterium bovis BCG atenuado y la cepa potencial de la vacuna Mycobacterium microti (15, 17).Sin embargo, un locus no DR1 cromosómicamente desvinculado (Rv3616c-Rv3615c-Rv3614c, también designado como Mycobacterium microti (15, 17). espA, espC y espD) es esencial para la función de ESX-1 (13, 21). De hecho, las propias proteínas EspA y EspC son sustratos del sistema de secreción de ESX-1, constituyendo así la secreción mutuamente dependiente de sustratos, una característica notable de este sistema de secreción. Más recientemente, la EspA de los bacilos tuberculosos se ha implicado como un mediador crítico de la integridad de la pared celular bacteriana y la regulación de la virulencia dependiente de ESX-1 (22). ESX-1 representa el primer y el miembro más caracterizado de la familia de secreción de ESX. Aunque las concentraciones intracelulares de ESAT-6 son similares tanto en M. tuberculosis H37Rv virulento como en la cepa atenuada de M. tuberculosis H37Ra, el H37Ra sigue siendo defectuoso para la secreción de ESAT-6 al igual que los mutantes phoP de M. tuberculosis H37Rv (13). Se demostró que un polimorfismo de un solo nucleótido dentro del dominio PhoP C-terminal de M. tuberculosis H37Ra explica su defecto en la secreción de ESAT-6 (23). Cabe destacar que la introducción de H37Rv.PhoP en H37Ra restauró la secreción de ESAT-6, estableciendo un vínculo claro entre PhoP y la secreción de ESAT-6/CFP-10 (24). Además, espB del locus RD1 extendido, espR (25), y el locus RD1 extendido, espR (25), y el ESAT-6/CFP-10 (24). El operón espACD (Rv3616c-Rv3615c-Rv3614c) del locus no DR1, que es esencial para la secreción de ESAT-6 (21), demostró estar regulado negativamente por M. tuberculosis PhoP (24, 26,27).Dada la relación que existe entre la expresión de EspA con la secreción de ESAT-6 (13) por un lado y entre la expresión de espACD y el regulador de respuesta PhoP (24, 26, 27) por otro lado, buscamos investigar el papel de PhoP en la secreción de ESAT-6 dependiente de ESX-1. A nivel de regulación, el control preciso del operón espACD es bastante complejo y multifactorial. En consonancia con esto, seis reguladores de unión a ADN diferentes, a saber, la proteína receptora de AMP cíclico (CRP) 6 (28), regulador de respuesta PhoP del

Files

pdf.pdf

Files (16.1 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:ae1a2f69e4510081455cee7f29f84d78
16.1 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يتطلب إفراز البروتين للسل الفطري المعتمد على ESAT -6 وجود منظم الفوعة PhoP
Translated title (French)
La sécrétion de la protéine ESAT-6 dépendante de l'EspR de Mycobacterium tuberculosis nécessite la présence d'un régulateur de virulence PhoP
Translated title (Spanish)
La secreción de proteína ESAT-6 dependiente de EspR de Mycobacterium tuberculosis requiere la presencia de regulador de virulencia PhoP

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2490854435
DOI
10.1074/jbc.m116.746289

Is supplement to
https://openalex.org/W4316686769 (Other)
https://openalex.org/W3147179925 (Other)
https://openalex.org/W3124668695 (Other)
https://openalex.org/W2392129879 (Other)
https://openalex.org/W2386377468 (Other)
https://openalex.org/W2168466885 (Other)
https://openalex.org/W2139362902 (Other)
https://openalex.org/W2118616813 (Other)
https://openalex.org/W2108723412 (Other)
https://openalex.org/W1874659400 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
India

References

  • https://openalex.org/W1506741363
  • https://openalex.org/W1515987373
  • https://openalex.org/W1553697637
  • https://openalex.org/W1674277546
  • https://openalex.org/W1920434477
  • https://openalex.org/W1940294549
  • https://openalex.org/W1967457339
  • https://openalex.org/W1967662130
  • https://openalex.org/W1973827044
  • https://openalex.org/W1974309182
  • https://openalex.org/W1976656389
  • https://openalex.org/W1985004048
  • https://openalex.org/W1997021926
  • https://openalex.org/W1997511314
  • https://openalex.org/W2005959254
  • https://openalex.org/W2006252982
  • https://openalex.org/W2013452535
  • https://openalex.org/W2016222799
  • https://openalex.org/W2017516011
  • https://openalex.org/W2019350054
  • https://openalex.org/W2020110672
  • https://openalex.org/W2024549777
  • https://openalex.org/W2026377947
  • https://openalex.org/W2027442700
  • https://openalex.org/W2033560237
  • https://openalex.org/W2036635548
  • https://openalex.org/W2040650178
  • https://openalex.org/W2046091124
  • https://openalex.org/W2052791500
  • https://openalex.org/W2053968913
  • https://openalex.org/W2057572959
  • https://openalex.org/W2065014293
  • https://openalex.org/W2066958748
  • https://openalex.org/W2081557579
  • https://openalex.org/W2081816898
  • https://openalex.org/W2083632051
  • https://openalex.org/W2083660727
  • https://openalex.org/W2086639069
  • https://openalex.org/W2096781326
  • https://openalex.org/W2097919434
  • https://openalex.org/W2101358576
  • https://openalex.org/W2104847655
  • https://openalex.org/W2104868544
  • https://openalex.org/W2106942635
  • https://openalex.org/W2107133310
  • https://openalex.org/W2114570899
  • https://openalex.org/W2129267752
  • https://openalex.org/W2130206397
  • https://openalex.org/W2131856698
  • https://openalex.org/W2141681443
  • https://openalex.org/W2142075333
  • https://openalex.org/W2143061508
  • https://openalex.org/W2156442967
  • https://openalex.org/W2159461625
  • https://openalex.org/W2164217177
  • https://openalex.org/W2165418498
  • https://openalex.org/W2172080878
  • https://openalex.org/W2175701660
  • https://openalex.org/W2312235010
  • https://openalex.org/W2338885502