Transcriptional regulation by sigma factor phosphorylation controls polymyxin resistance and swarming behavior in Vibrio parahaemolyticus

Eine wichtige Form der bakteriellen Transkriptionsregulation ist der Austausch des primären σ-Faktors der RNA-Polymerase mit alternativen ECF σ-Faktoren. Diese werden in der Regel durch Sequestrierung in σ/anti-σ-Faktorkomplexe in einem inaktiven Zustand gehalten (bis sie gebraucht werden). Wir berichten hier über einen neuartigen Mechanismus der transkriptionellen Regulation in unserem Modellorganismus V. parahaemolyticus, bei dem stattdessen intrinsisch inaktive ECF σ Faktoren, die durch σ Faktor Phosphorylierung für die Interaktion mit der RNA-Polymerase aktiviert werden. Insbesondere zeigen wir, dass die Threoninkinase PknT bei Polymyxinstress den σ-Faktor EcfP phosphoryliert, was zu einer EcfP-Aktivierung und im Folgenden zur Expression eines Polymyxin-Resistenzregulons führt. Die EcfP-Phosphorylierung erfolgt an einem hochkonservierten Threoninrest, Thr63, der in einer divergierenden Region in der Helix σ2.2 positioniert ist. EcfP ist an sich inaktiv und kann keine RNA-Polymerase binden, da in dieser Region kein negativ geladenes DAED-Motiv vorhanden ist. Die Phosphorylierung an Thr63 imitiert diese negative Ladung und lizenziert EcfP für die Interaktion mit RNA-Polymerase und die Aktivierung der Zielgenexpression. Expressionsregulation durch Phosphorylierung des ECF σ Faktors ist wahrscheinlich ein weit verbreiteter Mechanismus in Bakterien, der ein neues Paradigma in der transkriptionellen Regulation darstellt. Eines der einzigartigen Merkmale von V. parahaemolyticus ist, dass es einen dualen Lebensstil aufweist. In flüssigen Umgebungen existieren die freilebenden Bakterien als kurze Schwimmerzellen mit einem einzigen polaren Flagellum. Bei Auftreffen auf feste Oberflächen differenzieren sich die Bakterien jedoch zu stark verlängerten Schwärmerzellen, die sich durch das Vorhandensein zahlreicher peritricher Seitenflagellen auszeichnen. Hier berichten wir über die Beteiligung des oben genannten Threoninkinase/ECF σ-Faktorsystems PknT/EcfP an der Regulierung des Schwarmverhaltens. Interessanterweise zeigen unsere Ergebnisse, dass diese regulatorische Rolle von einem phosphorylierungsgetriebenen Mechanismus abhängt. Wir liefern auch Hinweise für die Rolle von zwei weiteren Proteinen, die im selben Operon wie pknT und ecfP codiert sind, nämlich VP0054 und VP0056, bei der Regulierung des Schwärmverhaltens. Unsere Ergebnisse offenbaren außerdem auch mehrere weitere Zielgene die durch PknT reguliert werden, wie z.B. Transporter und Proteine, die an bestimmten biosynthetischen Prozessen beteiligt sind. Dies ist das erste Mal, dass STKs in das Schwärmverhalten von Bakterien involviert sind.