A single serine residue determines selectivity to monovalent metal ions in metalloregulators of the MerR family

MerR metalloregulators alleviate toxicity caused by an excess of metal ions, such as copper, zinc, mercury, lead, cadmium, silver, or gold, by triggering the expression of specific efflux or detoxification systems upon metal detection. The sensor protein binds the inducer metal ion by using two conserved cysteine residues at the C-terminal metal-binding loop (MBL). Divalent metal ion sensors, such as MerR and ZntR, require a third cysteine residue, located at the beginning of the dimerization (α5) helix, for metal coordination, while monovalent metal ion sensors, such as CueR and GolS, have a serine residue at this position. This serine residue was proposed to provide hydrophobic and steric restrictions to privilege the binding of monovalent metal ions. Here we show that the presence of alanine at this position does not modify the activation pattern of monovalent metal sensors. In contrast, GolS or CueR mutant sensors with a substitution of cysteine for the serine residue respond to monovalent metal ions or Hg(II) with high sensitivities. Furthermore, in a mutant deleted of the Zn(II) exporter ZntA, they also trigger the expression of their target genes in response to either Zn(II), Cd(II), Pb(II), or Co(II).Fil: Ibáñez, María Marta. 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: Checa, Susana Karina. 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: Soncini, Fernando Carlos. 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; Argentin

Dissecting the Metal Selectivity of MerR Monovalent Metal Ion Sensors in Salmonella

Two homologous transcription factors, CueR and GolS, that belong to the MerR metalloregulatory family are responsible for Salmonella Cu and Au sensing and resistance, respectively. They share similarities not only in their sequences, but also in their target transcription binding sites. While CueR responds similarly to Au, Ag, or Cu to induce the expression of its target genes, GolS shows higher activation by Au than by Ag or Cu. We showed that the ability of GolS to distinguish Au from Cu resides in the metal-binding loop motif. Here, we identify the amino acids within the motif that determine in vivo metal selectivity. We show that residues at positions 113 and 118 within the metal-binding loop are the main contributors to metal selectivity. The presence of a Pro residue at position 113 favors the detection of Cu, while the presence of Pro at position 118 disfavors it. Our results highlight the molecular bases that allow these regulators to coordinate the correct metal ion directing the response to a particular metal injury.Fil: Ibáñez, María Marta. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Cerminati, Sebastián. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Checa, Susana Karina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; ArgentinaFil: Soncini, Fernando Carlos. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Rosario. Instituto de Biología Molecular y Celular de Rosario; Argentin

The Two-Component System CopRS Maintains Subfemtomolar Levels of Free Copper in the Periplasm of Pseudomonas aeruginosa Using a Phosphatase-Based Mechanism

Two-component systems control periplasmic Cu1 homeostasis in Gramnegative bacteria. In characterized systems such as Escherichia coli CusRS, upon Cu1 binding to the periplasmic sensing region of CusS, a cytoplasmic phosphotransfer domain of the sensor phosphorylates the response regulator CusR. This drives the expression of efflux transporters, chaperones, and redox enzymes to ameliorate metal toxic effects. Here, we show that the Pseudomonas aeruginosa two-component sensor histidine kinase CopS exhibits a Cu-dependent phosphatase activity that maintains CopR in a nonphosphorylated state when the periplasmic Cu levels are below the activation threshold of CopS. Upon Cux+ binding to the sensor, the phosphatase activity is blocked and the phosphorylated CopR activates transcription of the CopRS regulon. Supporting the model, mutagenesis experiments revealed that the ΔcopS strain exhibits maximal expression of the CopRS regulon, lower intracellular Cux+ levels, and increased Cu tolerance compared to wild-type cells. The invariant phosphoacceptor residue Hisx235 of CopS was not required for the phosphatase activity itself but was necessary for its Cu dependency. To sense the metal, the periplasmic domain of CopS binds two Cux+ ions at its dimeric interface. Homology modeling of CopS based on CusS structure (four Agx+ binding sites) clearly supports the different binding stoichiometries in the two systems. Interestingly, CopS binds Cux+/2+ with 3×10x-14 M affinity, pointing to the absence of free (hydrated) Cux+/2+ in the periplasm.Fil: Novoa Aponte, Lorena. Worcester Polytechnic Institute. Departmen Of Chemistry And Biochemistry; Estados UnidosFil: Xu, Cheng. Worcester Polytechnic Institute. Departmen Of Chemistry And Biochemistry; Estados UnidosFil: Soncini, Fernando Carlos. 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: Argüello, José M.. Worcester Polytechnic Institute. Departmen Of Chemistry And Biochemistry; Estados Unido

A sensitive whole-cell biosensor for the simultaneous detection of a broad-spectrum of toxic heavy metal ions

Bacterial biosensors are simple, cost-effective and efficient analytical tools for detecting bioavailable heavy metals in the environment. This work presents the design, construction and calibration of a novel whole-cell fluorescent biosensory device that, simultaneously and with high sensitivity, reports the presence of toxic mercury, lead, cadmium and/or gold ions in aqueous samples. This bio-reporter can be easily applied as an immediate alerting tool for detecting the presence of harmful pollutants in drinking water.Fil: Cerminati, Sebastián. 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: Soncini, Fernando Carlos. 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: Checa, Susana Karina. 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; Argentin

CpxR/CpxA controls scsABCD transcription to counteract copper and oxidative stress in Salmonella enterica serovar Typhimurium

Periplasmic thiol/disulfide oxidoreductases participate in the formation and isomerization of disulfide bonds and contribute to the virulence of pathogenic microorganisms. Among the systems encoded in the Salmonella genome, the system encoded by the scsABCD locus was shown to be required to cope with Cu and H2O2 stress. Here we report that this locus forms an operon whose transcription is driven by a promoter upstream of scsA and depends on CpxR/CpxA and on Cu. Furthermore, genes homologous to scsB, scsC, and scsD are always detected immediately downstream of scsA and in the same genetic arrangement in all scsA-harboring enterobacterial species. Also, a CpxR-binding site is detected upstream of scsA in most of those species, providing evidence of evolutionarily conserved function and regulation. Each individual scs gene shows a different role in copper and/or H2O2 resistance, indicating hierarchical contributions of these factors in the defense against these intoxicants. A protective effect of Cu preincubation against H2O2 toxicity and the increased Cu-mediated activation of cpxP in the ΔscsABCD mutant suggest that the CpxR/CpxA-controlled transcription of the ScsABCD system contributes to prevent Cu toxicity and to restore the redox balance at the Salmonella envelope.Fil: López, María Carolina. 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: Checa, Susana Karina. 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: Soncini, Fernando Carlos. 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; Argentin

GolS controls the response to gold by the hierarchical induction of Salmonella-specific genes that include a CBA efflux-coding operon

Salmonella employs a specific set of proteins that allows it to detect the presence of gold salts in the environment and to mount the appropriate resistance response. This includes a P-type ATPase, GolT, and a small cytoplasmic metal-binding protein, GolB. Their expression is controlled by a MerR-like sensor, GolS, which is highly selective for Au ions. Here, we identify a new GolS-controlled operon named gesABC which codes for a CBA efflux system, and establish its role in Au resistance. GesABC can also mediate drug resistance when induced by Au in a GolS-dependent manner, in a strain deleted in the main drug transporter acrAB. The GolS-controlled transcription of gesABC differs from the other GolS-regulated loci. It is activated by gold, but not induced by copper, even in a strain deleted of the main Cu transporter gene copA, which triggers a substantial GolS-dependent induction of golTS and golB. We demonstrate that the Au-dependent induction of gesABC transcription requires higher GolS levels than for the other members of the gol regulon. This correlates with a divergent GolS operator in the gesABC promoter. We propose that the hierarchical induction within the gol regulon allows Salmonella to cope with Au-contaminated environments.Fil: Pontel, Lucas Blas. 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: Pérez Audero, María Eugenia. 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: Espariz, Martin. 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: Checa, Susana Karina. 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: Soncini, Fernando Carlos. 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; Argentin

Compartment and signal-specific codependence in the transcriptional control of Salmonella periplasmic copper homeostasis

Copper homeostasis is essential for bacterial pathogen fitness and infection, and has been the focus of a number of recent studies. In Salmonella, envelope protection against copper overload and macrophage survival depends on CueP, a major copper-binding protein in the periplasm. This protein is also required to deliver the metal ion to the Cu/Zn superoxide dismutase SodCII. The Salmonella-specific CueP-coding gene was originally identified as part of the Cue regulon under the transcriptional control of the cytoplasmic copper sensor CueR, but its expression differs from the rest of CueR-regulated genes. Here we show that cueP expression is controlled by the concerted action of CueR, which detects the presence of copper in the cytoplasm, and by CpxR/CpxA, which monitors envelope stress. Copper-activated CueR is necessary for the appropriate spatial arrangement of the -10 and -35 elements of the cueP promoter, and CpxR is essential to recruit the RNA polymerase. The integration of two ancestral sensory systems-CueR, which provides signal specificity, and CpxR/CpxA, which detects stress in the bacterial envelope-restricts the expression of this periplasmic copper resistance protein solely to cells encountering surplus copper that disturbs envelope homeostasis, emulating the role of the CusR/CusS regulatory system present in other enteric bacteria.Fil: Pezza, Alejandro. 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: Pontel, Lucas Blas. 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: López, María Carolina. 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: Soncini, Fernando Carlos. 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; Argentin

The protein scaffold calibrates metal specificity and activation in MerR sensors

MerR metalloregulators are the central components of many biosensor platforms designed to report metal contamination. However, most MerR proteins are non-specific. This makes it difficult to apply these biosensors in the analysis of real environmental samples. On-demand implementation of molecular engineering to modify the MerR metal preferences is innovative, although it does not always yield the expected results. As the metal binding loop region (MBL) of these sensors has been proposed to be the major modulator of their specificity, we surgically switched this region for that of well-characterized specific and non-specific homologues. We found that identical modifications in different MerR proteins result in synthetic sensors displaying particular metal-detection patterns that cannot be predicted from the nature of the assembled modules. For instance, the MBL from a native Hg(II) sensor provided non-specificity or specificity toward Hg(II) or Cd(II) depending on the MerR scaffold into which it was integrated. These and other evidences reveal that residues outside the MBL are required to modulate ion recognition and transduce the input signal to the target promoter. Revealing their identity and their interactions with other residues is a critical step toward the design of more efficient biosensor devices for environmental metal monitoring.Fil: Mendoza Fernández, Julián Ignacio. 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: Lescano, Julian. 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: Soncini, Fernando Carlos. 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: Checa, Susana Karina. 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; Argentin

Copper Handling in the Salmonella Cell Envelope and Its Impact on Virulence

Copper (Cu) plays a key role at the host–pathogen interface as both an essential element and a toxic element. Intracellular strains of pathogenic Salmonella have acquired the periplasmic Cu chaperone, CueP, and the thiol oxidoreductases complex Scs, while losing the ancestral Cu-detoxification Cus system. Coregulation of these species-specific factors link Cu with redox stress and allows Salmonella to counteract Cu toxicity during infection.Fil: Checa, Susana Karina. 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: Giri, German Francisco. 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: Espariz, Martin. 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: Argüello, José M.. Worcester Polytechnic Institute; Estados UnidosFil: Soncini, Fernando Carlos. 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; Argentin

The CpxR/CpxA system contributes to Salmonella gold-resistance by controlling the GolS-dependent gesABC transcription

Several regulatory systems contribute to bacterial resistance to heavy metals controlling the expression of factors required to eliminate the intoxicant and/or to repair the damage caused by it. In Salmonella, the response to Au ions is mediated by the specific metalloregulator GolS that, among other genes, controls the expression of the RND-efflux pump GesABC. In this work, we demonstrate that CpxR/CpxA, a main cell-envelope stress-responding system, promotes gesABC transcription in the presence of Au ions at neutral pH. Deletion of either cpxA or cpxR, or mutation of the CpxR-binding site identified upstream of the GolS-operator in the gesABC promoter region reduces but does not abrogate the GolS- and Au-dependent activation of gesABC. Au also triggers the activation of the CpxR/CpxA system and deletion of the cpxRA operon severely reduces survival in the presence of the toxic metal. Our results indicate that the coordinated action of GolS and CpxR/CpxA contribute to protecting the cell from severe Au damage.Fil: Cerminati, Sebastián. 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: Giri, German Francisco. 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: Mendoza Fernández, Julián Ignacio. 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: Soncini, Fernando Carlos. 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: Checa, Susana Karina. 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; Argentin