Structures of regulatory machinery reveal novel molecular mechanisms controlling B. subtilis nitrogen homeostasis

生物 抑制因子 细胞生物学 转录因子 蛋白质亚单位 枯草芽孢杆菌 效应器 调节器 生物化学 生物物理学 遗传学 基因 细菌
作者
Maria A. Schumacher,Naga Babu Chinnam,Bonnie J. Cuthbert,Nam K. Tonthat,Travis Whitfill
出处
期刊:Genes & Development [Cold Spring Harbor Laboratory]
卷期号:29 (4): 451-464 被引量:52
标识
DOI:10.1101/gad.254714.114
摘要

All cells must sense and adapt to changing nutrient availability. However, detailed molecular mechanisms coordinating such regulatory pathways remain poorly understood. In Bacillus subtilis, nitrogen homeostasis is controlled by a unique circuitry composed of the regulator TnrA, which is deactivated by feedback-inhibited glutamine synthetase (GS) during nitrogen excess and stabilized by GlnK upon nitrogen depletion, and the repressor GlnR. Here we describe a complete molecular dissection of this network. TnrA and GlnR, the global nitrogen homeostatic transcription regulators, are revealed as founders of a new structural family of dimeric DNA-binding proteins with C-terminal, flexible, effector-binding sensors that modulate their dimerization. Remarkably, the TnrA sensor domains insert into GS intersubunit catalytic pores, destabilizing the TnrA dimer and causing an unprecedented GS dodecamer-to-tetradecamer conversion, which concomitantly deactivates GS. In contrast, each subunit of the GlnK trimer "templates" active TnrA dimers. Unlike TnrA, GlnR sensors mediate an autoinhibitory dimer-destabilizing interaction alleviated by GS, which acts as a GlnR chaperone. Thus, these studies unveil heretofore unseen mechanisms by which inducible sensor domains drive metabolic reprograming in the model Gram-positive bacterium B. subtilis.
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