Cerulenin inhibits unsaturated fatty acids synthesis in Bacillus subtilis by modifying the input signal of DesK thermosensor

Bacillus subtilis responds to a sudden decrease in temperature by transiently inducing the expression of the des gene encoding for a lipid desaturase, D5-Des, which introduces a double bond into the acyl chain of preexisting membrane phospholipids. This D5-Des-mediated membrane remodeling is controlled by the cold-sensor DesK. After cooling, DesK activates the response regulator DesR, which induces transcription of des. We show that inhibition of fatty acid synthesis by the addition of cerulenin, a potent and specific inhibitor of the type II fatty acid synthase, results in increased levels of short-chain fatty acids (FA) in membrane phospholipids that lead to inhibition of the transmembraneinput thermal control of DesK. Furthermore, reduction of phospholipid synthesis by conditional inactivation of the PlsC acyltransferase causes significantly elevated incorporation of long-chain FA and constitutive upregulation of the des gene. Thus, we provide in vivo evidence that the thickness of the hydrophobic core of the lipid bilayer serves as one of the stimulus sensed by the membrane spanning region of DesK.Fil: Porrini, Lucía. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Bioqu ímicas y Farmacéuticas, Departamento de Microbiolog ía; ArgentinaFil: Cybulski, Larisa Estefania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Bioqu ímicas y Farmacéuticas, Departamento de Microbiolog ía; ArgentinaFil: Altabe, Silvia Graciela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Bioqu ímicas y Farmacéuticas, Departamento de Microbiolog ía; ArgentinaFil: Mansilla, Maria Cecilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Bioqu ímicas y Farmacéuticas, Departamento de Microbiolog ía; ArgentinaFil: de Mendoza, Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Bioqu ímicas y Farmacéuticas, Departamento de Microbiolog ía; Argentin

Interhelical h-bonds modulate the activity of a polytopic transmembrane kinase

DesK is a Histidine Kinase that allows Bacillus subtilis to maintain lipid homeostasis in response to changes in the environment. It is located in the membrane, and has five transmembrane helices and a cytoplasmic catalytic domain. The transmembrane region triggers the phosphorylation of the catalytic domain as soon as the membrane lipids rigidify. In this research, we study how transmembrane inter-helical interactions contribute to signal transmission; we designed a coexpression system that allows studying in vivo interactions between transmembrane helices. By Alanine-replacements, we identified a group of polar uncharged residues, whose side chains contain hydrogen-bond donors or acceptors, which are required for the interaction with other DesK transmembrane helices; a particular array of H-bond- residues plays a key role in signaling, transmitting information detected at the membrane level into the cell to finally trigger an adaptive response.Fil: Almada, Juan Cruz. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario; ArgentinaFil: Bortolotti, Ana. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario; ArgentinaFil: Ruysschaert, Jean Marie. Université Libre de Bruxelles; BélgicaFil: de Mendoza, Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Inda, María Eugenia. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentina. Massachusetts Institute of Technology; Estados Unidos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario; ArgentinaFil: Cybulski, Larisa Estefania. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario; Argentin

Allosteric Activation of Bacterial Response Regulators: the Role of the Cognate Histidine Kinase Beyond Phosphorylation

Response regulators are proteins that undergo transient phosphorylation, connecting specific signals to adaptive responses. Remarkably, the molecular mechanism of response regulator activation remains elusive, largely because of the scarcity of structural data on multidomain response regulators and histidine kinase/response regulator complexes. We now address this question by using a combination of crystallographic data and functional analyses in vitro and in vivo, studying DesR and its cognate sensor kinase DesK, a two-component system that controls membrane fluidity in Bacillus subtilis. We establish that phosphorylation of the receiver domain of DesR is allosterically coupled to two distinct exposed surfaces of the protein, controlling noncanonical dimerization/tetramerization, cooperative activation, and DesK binding. One of these surfaces is critical for both homodimerization- and kinase-triggered allosteric activations. Moreover, DesK induces a phosphorylation-independent activation of DesR in vivo, uncovering a novel and stringent level of specificity among kinases and regulators. Our results support a model that helps to explain how response regulators restrict phosphorylation by small-molecule phosphoryl donors, as well as cross talk with noncognate sensors.Fil: Trajtenberg, Felipe. Instituto Pasteur de Montevideo; UruguayFil: Albanesi, Daniela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; ArgentinaFil: Ruetalo, Natalia. Instituto Pasteur de Montevideo; UruguayFil: Botti, Horacio. Instituto Pasteur de Montevideo; UruguayFil: Mechaly, Ariel. Instituto Pasteur de Montevideo; Uruguay. Institut Pasteur, Unité de Microbiologie Structurale, Paris; FranciaFil: Nieves, Marcos. Instituto Pasteur de Montevideo, Laboratorio de Biología Celular de Membranas, Montevideo; UruguayFil: Aguilar, Pablo Sebastián. Instituto Pasteur de Montevideo, Laboratorio de Biología Celular de Membranas, Montevideo; UruguayFil: Cybulski, Larisa Estefania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; ArgentinaFil: Larrieux, Nicole. Instituto Pasteur de Montevideo; UruguayFil: de Mendoza, Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario, Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; ArgentinaFil: Buschiazzo, Alejandro. Instituto Pasteur de Montevideo; Uruguay. Institut Pasteur, Département de Biologie Structurale et Chimie, Paris; Franci

A transmembrane histidine kinase functions as a pH sensor

The two-component system DesK-DesR regulates the synthesis of unsaturated fatty acids in the soil bacteria Bacillus subtilis. This system is activated at low temperature and maintains membrane lipid fluidity upon temperature variations. Here, we found that DesK—the transmembrane histidine kinase—also responds to pH and studied the mechanism of pH sensing. We propose that a helix linking the transmembrane region with the cytoplasmic catalytic domain is involved in pH sensing. This helix contains several glutamate, lysine, and arginine residues At neutral pH, the linker forms an alpha helix that is stabilized by hydrogen bonds in the i, i + 4 register and thus favors the kinase state. At low pH, protonation of glutamate residues breaks salt bridges, which results in helix destabilization and interruption of signaling. This mechanism inhibits unsaturated fatty acid synthesis and rigidifies the membrane when Bacillus grows in acidic conditions.Fil: Bortolotti, Ana. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe; ArgentinaFil: Vázquez, Daniela Belén. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe; ArgentinaFil: Almada, Juan Cruz. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe; ArgentinaFil: Inda, María Eugenia. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe; ArgentinaFil: Drusin, Salvador Iván. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmaceuticas. Departamento de Química y Física; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe; ArgentinaFil: Villalba, Juan Manuel. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe; ArgentinaFil: Moreno, Diego Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmaceuticas. Departamento de Química y Física; ArgentinaFil: Ruysschaert, Jean Marie. Structure et Fonction des Membranes Biologiques; BélgicaFil: Cybulski, Larisa Estefania. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe; Argentin

Reverse Engineering of a Thermosensing Regulator Switch

To address the mechanism of thermosensing and its implications for molecular engineering, we previously deconstructed the functional components of the bacterial thermosensor DesK, a histidine kinase with a five-span transmembrane domain that detects temperature changes. The system was first simplified by building a sensor that consists of a single chimerical transmembrane segment that retained full sensing capacity. Genetic and biophysical analysis of this minimal sensor enabled the identification of three modular components named determinants of thermodetection (DOTs). Here we combine and tune the DOTs to determine their contribution to activity. A transmembrane zipper represents the master DOT that drives a reversible and activating dimerization through the formation of hydrogen bonds. Our findings provide the mechanism and insights to construct a synthetic transmembrane helix based on a poly-valine scaffold that harbors the DOTs and regulates the activity. The construct constitutes a modular switch that may be exploited in biotechnology and genetic circuitry.Fil: Inda, María Eugenia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; ArgentinaFil: Vázquez, Daniela Belén. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; ArgentinaFil: Fernandez, Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca. Instituto de Química del Sur. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Química. Instituto de Química del Sur; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Saavedra 15. Instituto Argentino de Matemática Alberto Calderón; ArgentinaFil: Cybulski, Larisa Estefania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentin

The single transmembrane segment of minimal sensor DesK senses temperature via a membrane-thickness caliper

Thermosensors detect temperature changes and trigger cellular responses crucial for survival at different temperatures. The thermosensor DesK is a transmembrane (TM) histidine kinase which detects a decrease in temperature through its TM segments (TMS). Here, we address a key issue: how a physical stimulus such as temperature can be converted into a cellular response. We show that the thickness of Bacillus lipid membranes varies with temperature and that such variations can be detected by DesK with great precision. On the basis of genetic studies and measurements of in vitro activity of a DesK construct with a single TMS (minimal sensor DesK [MS-DesK]), reconstituted in liposomes, we propose an interplay mechanism directed by a conserved dyad, phenylalanine 8-lysine 10. This dyad is critical to anchor the only transmembrane segment of the MS-DesK construct to the extracellular water-lipid interphase and is required for the transmembrane segment of MS-DesK to function as a caliper for precise measurement of membrane thickness. The data suggest that positively charged lysine 10, which is located in the hydrophobic core of the membrane but is close to the water-lipid interface, pulls the transmembrane region toward the water phase to localize its charge at the interface. Nevertheless, the hydrophobic residue phenylalanine 8, located at the N-terminal extreme of the TMS, has a strong tendency to remain in the lipid phase, impairing access of lysine 10 to the water phase. The outcome of this interplay is a fine-tuned sensitivity to membrane thickness that elicits conformational changes that favor different signaling states of the protein.Fil: Inda, María Eugenia. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; ArgentinaFil: Oliveira, Rafael Gustavo. Universidad Nacional de Córdoba. Facultad de Ciencias Químicas. Departamento de Química Biológica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Córdoba. Centro de Investigaciones en Bioquímica Clínica e Inmunología; ArgentinaFil: de Mendoza, Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Cybulski, Larisa Estefania. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; Argentin

Rol de los puentes hidrógeno en la detección de pH por la histidin-quinasa DesK

This dataset corresponds to experiments conducted to study the response of transmembrane histidine kinase (DesK) to pH. The two-component system DesK-DesR regulates the synthesis of unsaturated fatty acids in the soil bacteria Bacillus Subtilis. This system is activated at low temperature and maintains membrane lipid fluidity upon temperature variations. We conducted five independent experiments and found that DesK also responds to pH, and studied the mechanism of pH sensing. We propose that a helix linking the transmembrane region with the cytoplasmic catalytic domain is involved in pH sensing.This helix contains several glutamate, lysine, and arginine residues At neutral pH, the linker forms an alpha helix that is stabilized by hydrogen bonds in the i, i + 4 register and thus favors the kinase state. At low pH, protonation of glutamate residues breaks salt bridges, which results in helix destabilization and interruption of signaling. This mechanism inhibits unsaturated fatty acid synthesis and rigidifies the membrane when Bacillus grows in acidic conditions. (2020-08-14). The paper has been published: A Transmembrane Histidine Kinase Functions as a pH Sensor. Bortolotti A, Vazquez DB, Almada JC, Inda ME, Drusin SI, Villalba JM, Moreno DM, Ruysschaert JM, Cybulski LE. Biomolecules. 2020 Aug 14;10(8):1183. doi: 10.3390/biom10081183. doi: 10.3390/biom10081183Fil: Cybulski, Larisa Estefania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; ArgentinaFil: Bortolotti, Ana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; ArgentinaFil: Almada, Juan Cruz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; ArgentinaFil: Ruysschaert, Jean Marie. Université Libre de Bruxelles. Centre de Biologie Structurale et de Bioinformatique; BélgicaFil: Vazquez, Daniela. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Departamento de Microbiología; ArgentinaFil: Moreno, Diego Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; ArgentinaFil: Drussin, Salvador. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario; Argentin

Light modulates metabolic pathways and other novel physiological traits in the human pathogen Acinetobacter baumannii

Light sensing in chemotrophic bacteria has been relatively recently ascertained. In the human pathogen Acinetobacter baumannii, light modulates motility, biofilm formation, and virulence through the blue-light-sensing-using flavin (BLUF) photoreceptor BlsA. In addition, light can induce a reduction in susceptibility to certain antibiotics, such as minocycline and tigecycline, in a photoreceptorindependent manner. In this work, we identified new traits whose expression levels are modulated by light in this pathogen, which comprise not only important determinants related to pathogenicity and antibiotic resistance but also metabolic pathways, which represents a novel concept for chemotrophic bacteria. Indeed, the phenylacetic acid catabolic pathway and trehalose biosynthesis were modulated by light, responses that completely depend on BlsA. We further show that tolerance to some antibiotics and modulation of antioxidant enzyme levels are also influenced by light, likely contributing to bacterial persistence in adverse environments. Also, we present evidence indicating that surfactant production is modulated by light. Finally, the expression of whole pathways and gene clusters, such as genes involved in lipid metabolism and genes encoding components of the type VI secretion system, as well as efflux pumps related to antibiotic resistance, was differentially induced by light. Overall, our results indicate that light modulates global features of the A. baumannii lifestyle.Fil: Müller, Gabriela Leticia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; ArgentinaFil: Tuttobene, Marisel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos; ArgentinaFil: Altilio, Matías. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos; ArgentinaFil: Martinez Amezaga, Maitena. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Química Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Química Rosario; ArgentinaFil: Nguyen, Meaghan. California State University; Estados UnidosFil: Cribb, Pamela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; ArgentinaFil: Cybulski, Larisa Estefania. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; ArgentinaFil: Ramirez, Maria Soledad. California State University; Estados UnidosFil: Altabe, Silvia Graciela. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; ArgentinaFil: Mussi, María Alejandra. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Rosario. Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas. Centro de Estudios Fotosintéticos y Bioquímicos; Argentina. Universidad Nacional de Rosario. Facultad de Ciencias Bioquímicas y Farmacéuticas; Argentin