Elementi koji reguliraju biosintezu tetraciklinskih antibiotika u genskim nakupinama: otcG gen pozitivno regulira proizvodnju oksitetraciklina u vrste Streptomyces rimosus

Abstract

The expression of bacterial polyketide synthase gene clusters is often controlled by a number of different families of regulatory proteins that can have either a pathway-specific or a pleiotropic mode of action, e.g. the SARP family (Streptomyces antibiotic regulatory proteins), ribosome-associated ppGpp synthetase, γ-butyrolactone-binding regulatory proteins, and two-component regulatory proteins. The molecular genetics of such regulatory mechanisms that govern the biosynthesis of tetracyclines is poorly understood. In this work, a comparative bioinformatic analysis of regulatory genes present in three tetracycline antibiotic gene clusters, namely oxytetracycline (OTC), chlortetracycline and recently cloned chelocardin gene clusters of S. rimosus, S. aureofaciens and Amycolatopsis sulphurea has been performed. A SARP family regulatory protein is located in the chlortetracycline gene cluster, but is not detected in the gene cluster encoding OTC biosynthesis. Interestingly, the only regulatory element identified in chelocardin gene cluster was chdA, an otrR and ctcR homologue from the TetR family of regulators that regulates the expression of the otrB and ctc05 exporter genes in the oxytetracycline and chlortetracycline gene clusters. In the oxytetracycline gene cluster, a new LAL (LuxR) family regulatory gene homologue, otcG, was identified. This homologue is also present in the ctc gene cluster. By gene disruption and overexpression experiments, a \u27conditionally positive\u27 role of otcG in OTC biosynthesis has been demonstrated. The observation, the bioinformatics data and the previous work on phosphate regulation suggest the presence of a more complex, fine tuning role of the otcG gene product in overall expression of genes for OTC biosynthesis.Ekspresiju bakterijskih genskih nakupina poliketidnih sintaza obično reguliraju različiti vrlo specifični proteini koji su uglavnom usmjereni samo na ciljane gene u nakupini gena ili je riječ o regulatornim genima što djeluju šire na stanične procese, takozvani pleiotropni regulatori. Prema načinu djelovanja ti se regulatorni proteini mogu podijeliti u više skupina, kao što su SARP (engl. Streptomyces Antibiotic Regulatory Proteins), skupina ribosomski povezanih regulatornih proteina nazvanih ppGpp sintaze, γ-butirolaktonskih veznih i dvokomponentnih regulatornih proteina. Molekularna genetika takvih regulatornih mehanizama, koji utječu na biosintezu tetraciklina, još je i danas slabo istražena. U ovom je radu prikazana komparativna bioinformatička studija regulatornih proteina triju genskih nakupina koje kodiraju biosintezu oksitetraciklina (OTC) u vrste Streptomyces rimosus, klortetraciklina (u vrste Streptomyces aureofaciens), a i nedavno klonirane genske nakupine za biosintezu kelokardina (CHD) u vrste Amycolatopsis sulphurea. U genskoj nakupini koja kodira biosintezu klortetraciklina nalazi se takozvani SARP regulatorni gen. Međutim, homolog toga gena ne postoji u nakupini gena za biosintezu oksitetraciklina. U nakupini gena za biosintezu kelokardina pronađen je samo jedan regulatorni gen nazvan chdA, homolog gena otrR i ctcR iz skupine TetR regulatornih proteina, koji regulira ekspresiju otrB i ctc05 gena u nakupinama gena za biosintezu oksitetraciklina i klortetraciklina. U genskoj nakupini za biosintezu oksitetraciklina identificiran je novi regulatorni protein iz skupine LAL (LuxR), nazvan OtcG. Taj se genski homolog nalazi i u genskoj nakupini za biosintezu klortetraciklina. Inaktivacijom i povećanom ekspresijom gena otcG eksperimentalno je utvrđeno njegovo djelovanje kao uvjetno pozitivnog regulatora u biosintezi oksitetraciklina. Takvi eksperimentalni rezultati bioinformatičke studije i rezultati koji se odnose na prijašnje istraživanje utjecaja fosfata na reguliranje biosinteze oksitetraciklina upućuju na vrlo kompleksnu organizaciju regulatornih elemenata i njihova djelovanja u procesu biosinteze oksitetraciklina, u kojima sudjeluje i novi regulatorni element, produkt gena otcG