Mechanismen der Genregulation durch die konservierte kleine RNA rnTrpL (früher RcsR1) und ihre Interaktionspartner in Sinorhizobium meliloti

• Antragstellerin: Professorin Dr. Elena Evguenieva-Hackenberg
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320729491

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

RNA-basierte Genregulation ist von großer Bedeutung für die bakterielle Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen. Transkriptionsattenuation und mRNA-Destabilisierung durch trans-agierende kleine RNAs (sRNAs) sind zwei RNA-basierte Mechanismen, die in Bakterien weit verbreitet sind. In Sinorhizobium meliloti sind die Tryptophan-(Trp-) Biosynthesegene in drei Operons organisiert: trpE(G), trpDC und trpFBA, von denen nur das erste, trpE(G), ein kurzes ORF (trpL) in der 5'-UTR enthält und durch Transkriptionsattenuation reguliert wird. Wenn genug Trp vorhanden ist, wird die Transkription zwischen trpL und trpE(G) beendet, und eine kleine Attenuator-RNA, rnTrpL, wird produziert. Wir haben gezeigt, dass rnTrpL mit trpD interagiert und die trpDC mRNA destabilisiert. Somit koordiniert in S. meliloti der trp- Attenuator die Expression von trpE(G) und trpDC durch zwei unterschiedliche Mechanismen: Transkriptionsattenuation in cis und Basenpaarung in trans. Darüber hinaus fanden wir heraus, dass in E. coli, wo alle trp-Gene in einem Operon vorliegen, die sRNA rnTrpL mit dnaA mRNA basenpaaren kann und diese destabilisiert. Hiermit kontrolliert die E. coli rnTrpL den Hauptregulator der bakteriellen Replikation, und verbindet somit die Aminosäureverfügbarkeit mit der Replikation. Zudem beobachteten wir in S. meliloti eine Leaderpeptid- (peTrpL)- und rnTrpL-abhängige Regulation des ribosomalen Operons rplUrpmA und eine peTrpL- abhängige Regulation des Effluxpump-Operons smeABR. Diese Operons wurden nur in Gegenwart von Tetracyclin durch die Attenuator-Produkte reguliert. Unsere Ergebnisse deuteten auf das Vorhandensein antibiotikaabhängiger Ribonukleoprotein-Komplexe hin, die jeweils peTrpL und eine regulatorische sRNA enthalten. Wir konnten jedoch die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen nicht entschlüsseln und keine zusätzlichen rnTrpL-Ziele identifizieren. Während der Analyse der RNA-basierten Reaktion von S. meliloti auf Tetracyclin-Exposition (verwendet für 10 Minuten in subinhibitorischer Konzentration) stellten wir fest, dass mehr als 300 Genen beeinflusst wurden. Unsere Daten deuten darauf hin, dass die Umgestaltung des Transkriptoms auf zwei generelle Mechanismen beruht: mRNA-Stabilisierung und vorzeitige Transkriptionstermination durch Entkopplung zwischen Translation und Transkription. Zusätzlich fanden wir heraus, dass das Gen mit der höchsten Induktion, welches ein 83 aa DUF1127-Protein kodiert, durch eine neue Variante der Transkriptionsattenuation reguliert wird. Basierend auf unseren Ergebnissen schlagen wir einen Attenuationsmechanismus vor, der zur Wahrnehmung antibiotikabedingter Translationshemmung sowie Mangel an Komponenten, die für die Translation benötigt werden, geeignet ist. Dies deutet darauf hin, dass das 83 aa DUF1127-Protein für das Überleben unter Translationsdefizienz wichtig sein könnte, speziell auch im Boden, einem Lebensraum mit wechselndem Nahrungsangebot, den S. meliloti mit Antibiotika-Produzenten teilt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Transcription attenuation-derived small RNA rnTrpL regulates tryptophan biosynthesis gene expression in trans. Nucleic Acids Research, 47(12), 6396-6410.
  Melior, Hendrik; Li, Siqi; Madhugiri, Ramakanth; Stötzel, Maximilian; Azarderakhsh, Saina; Barth-Weber, Susanne; Baumgardt, Kathrin; Ziebuhr, John & Evguenieva-Hackenberg, Elena
  
• Bioinformatic prediction reveals posttranscriptional regulation of the chromosomal replication initiator gene dnaA by the attenuator sRNA rnTrpL in Escherichia coli. RNA Biology, 18(9), 1324-1338.
  Li, Siqi; Edelmann, Daniel; Berghoff, Bork A.; Georg, Jens & Evguenieva-Hackenberg, Elena
  
• The Leader Peptide peTrpL Forms Antibiotic-Containing Ribonucleoprotein Complexes for Posttranscriptional Regulation of Multiresistance Genes. mBio, 11(3).
  Melior, Hendrik; Maaß, Sandra; Li, Siqi; Förstner, Konrad U.; Azarderakhsh, Saina; Varadarajan, Adithi R.; Stötzel, Maximilian; Elhossary, Muhammad; Barth-Weber, Susanne; Ahrens, Christian H.; Becher, Dörte & Evguenieva-Hackenberg, Elena
  
• Reprograming of sRNA target specificity by the leader peptide peTrpL in response to antibiotic exposure. Nucleic Acids Research, 49(5), 2894-2915.
  Melior, Hendrik; Li, Siqi; Stötzel, Maximilian; Maaß, Sandra; Schütz, Rubina; Azarderakhsh, Saina; Shevkoplias, Aleksei; Barth-Weber, Susanne; Baumgardt, Kathrin; Ziebuhr, John; Förstner, Konrad U.; Chervontseva, Zoe; Becher, Dörte & Evguenieva-Hackenberg, Elena
  
• Riboregulation in bacteria: From general principles to novel mechanisms of the trp attenuator and its sRNA and peptide products. WIREs RNA, 13(3).
  Evguenieva‐Hackenberg, Elena
  
• Trans-agierende Attenuator-RNA und Leaderpeptid in Bakterien. BIOspektrum, 27(2), 127–130.
  Melior, Hendrik & Evguenieva-Hackenberg, Elena
  
• Analysis of sRNAs and Their mRNA Targets in Sinorhizobium meliloti: Focus on Half-Life Determination. Methods in Molecular Biology, 239-254. Springer US.
  Scheuer, Robina; Kothe, Jennifer; Wähling, Jan & Evguenieva-Hackenberg, Elena
  
• Early posttranscriptional response to tetracycline exposure in a gram-negative soil bacterium reveals unexpected attenuation mechanism of a DUF1127 gene. openRxiv.
  Kothe, Jennifer A.F.; Sauerwein, Till; Dietz, Theresa; Scheuer, Robina; Elhossary, Muhammad; Barth-Weber, Susanne; Wähling, Jan; Förstner, Konrad U. & Evguenieva-Hackenberg, Elena