Identification of Amino Acids Involved in the Sensory Function of the PrrB Histidine Kinase by Site-directed Mutagenesis

광합성세균인 Rhodobacter sphaeroides의 PrrBA two-component system은 산소분압의 변화에 따라 광합성 유전자의 발현을 조절하는 주요한 조절계 중 하나이다. PrrBA two-component system은 PrrB histidine kinase와 PrrA response regulator로 구성되어 있는데, PrrB의 N-말단 transmembrane 도메인은 신호인지 도메인으로서, 여섯 개의 transmembrane helix가 세 개의 periplasmic loop와 두 개의 cytoplasmic loop을 형성하고 있다. 그 중 세 번째, 네 번째 transmembrane helix와 두 번째 periplasmic loop가 산화/환원 인지 기능에 있어 중요한 역할을 할 것이라고 제안되었다. 본 연구에서는, 두 번째 periplasmic loop와 그 인접 부위에서의 돌연변이 (Asp-90, Gln-93, Leu-94, Leu-98, Asn-106)에 의해 PrrB의 인지 기능에 있어 심각한 결함이 생기는 것을 증명하였고, 이는 이 아미노산들이 PrrB의 산화/환원 인지 기능에 연관되어 있을 수 있다는 것을 보여준다. PrrB의 돌연변이 형태 (D90E, D90N, D90A)가 대장균에서 과발현되어서 affinity chromatography에 의해 정제되었고, 정제된 단백질의 자가인산화 반응이 측정되었다. PrrB D90N 변이형태는 PrrB wild-type보다 높은 자가인산화 활성을 가지는 반면에, PrrB D90E 변이형태는 PrrB wild-type보다 낮은 자가인산화 활성을 나타내었다. 그리고 D90A 변이형태는 PrrB의 자가인산화 활성이 매우 약화되었다. The PrrBA two-component system is one of the major regulatory systems that control expression of photosynthesis genes in response to changes in oxygen tension in the anoxygenic photosynthetic bacterium, Rhodobacter sphaeroides. The system consists of the PrrB histidine kinase and the PrrA response regulator. The N-terminal transmembrane domain of PrrB serves as a signal-sensing domain and comprises six transmembrane helices forming three periplasmic loops and two cytoplasmic loops. The $3^{rd}$ and $4^{th}$ transmembrane helices and the $2^{nd}$ periplasmic loop were suggested to play a crucial role in redox-sensory function. In this study we demonstrated that mutations of Asp-90, Gln-93, Leu-94, Leu-98, and Asn-106 in the $2^{nd}$ periplasmic loop and its neighboring region led to severe defects in PrrB sensory function, indicating that these amino acids might be related to the redox-sensing function of PrrB. The mutant forms (D90E, D90N, and D90A) of PrrB were heterologously overexpressed in Escherichia coli, purified by means of affinity chromatography and their autokinase activities were comparatively assessed. The D90N form of PrrB was shown to possess higher autokinase activity than the wild-type form of PrrB, whereas the D90E form of PrrB displayed lower autokinase activity than the wild-type form of PrrB. The D90A mutation led to the loss of PrrB autokinase activity.