Acta NaturaeActa NaturaeActa Naturae2075-8251Acta Naturae Ltd1060110.32607/20758251-2013-5-2-70-80Research ArticlesЭкспериментальные статьиResearch ArticlePeculiarities of the Regulation of Gene Expression in the Ecl18kI Restriction–Modification SystemОсобенности регуляции экспрессии генов в системе рестрикциимодификации Ecl18kIBureninaO. Yu.БуренинаO. Ю.
Russian Federation
kubareva@belozersky.msu.ruFedotovaE. A.ФедотоваE. A.
Russian Federation
kubareva@belozersky.msu.ruRyazanovaA. Yu.РязановаA. Ю.
Russian Federation
kubareva@belozersky.msu.ruProtsenkoA. S.ПроценкоA. С.
Russian Federation
kubareva@belozersky.msu.ruZakharovaM. V.ЗахароваM. В.
Russian Federation
kubareva@belozersky.msu.ruKaryaginaA. S.КарягинаA. С.
Russian Federation
kubareva@belozersky.msu.ruSoloninA. S.СолонинA. С.
Russian Federation
kubareva@belozersky.msu.ruOretskayaT. S.ОрецкаяT. С.
Russian Federation
kubareva@belozersky.msu.ruKubarevaE. A.КубареваE. A.
Russian Federation
kubareva@belozersky.msu.ruLomonosov Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваBelozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State UniversityНИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваSkryabin Institute of Biochemistry and Physiology of MicroorganismsИнститут биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. СкрябинаInstitute of Agricultural BiotechnologyНИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваBelozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State UniversityНИИ эпидемиологии и микробиологии им. Н.Ф. Гамалеи Минздравсоцразвития РФGamaleya Research Institute of Epidemiology and MicrobiologyВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии РАСХНInstitute of Agricultural BiotechnologyИнститут биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. СкрябинаSkryabin Institute of Biochemistry and Physiology of MicroorganismsМосковский государственный университет им. М.В. ЛомоносоваLomonosov Moscow State UniversityНИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваBelozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University1506201352VOL 5, NO2 (2013)ТОМ 5, №2 (2013)708017012020Copyright ©; 2013, Burenina O.Y., Fedotova E.A., Ryazanova A.Y., Protsenko A.S., Zakharova M.V., Karyagina A.S., Solonin A.S., Oretskaya T.S., Kubareva E.A.Copyright ©; 2013, Буренина O.Ю., Федотова E.A., Рязанова A.Ю., Проценко A.С., Захарова M.В., Карягина A.С., Солонин A.С., Орецкая T.С., Кубарева E.A.2013Burenina O.Y., Fedotova E.A., Ryazanova A.Y., Protsenko A.S., Zakharova M.V., Karyagina A.S., Solonin A.S., Oretskaya T.S., Kubareva E.A.Буренина O.Ю., Федотова E.A., Рязанова A.Ю., Проценко A.С., Захарова M.В., Карягина A.С., Солонин A.С., Орецкая T.С., Кубарева E.A.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://actanaturae.ru/2075-8251/article/view/10601

Transcription regulation in bacterial restriction–modification (R–M) systems is an important process, which provides coordinated expression levels of tandem enzymes, DNA methyltransferase (MTase) and restriction endonuclease (RE) protecting cells against penetration of alien DNA. The present study focuses on (cytosine-5)-DNA methyltransferase Ecl18kI (M.Ecl18kI), which is almost identical to DNA methyltransferase SsoII (M.SsoII) in terms of its structure and properties. Each of these enzymes inhibits expression of the intrinsic gene and activates expression of the corresponding RE gene via binding to the regulatory site in the promoter region of these genes. In the present work, complex formation of M.Ecl18kI and RNA polymerase from Escherichia сoli with the promoter regions of the MTase and RE genes is studied. The mechanism of regulation of gene expression in the Ecl18kI R–M system is thoroughly investigated. M.Ecl18kI and RNA polymerase are shown to compete for binding to the promoter region. However, no direct contacts between M.Ecl18kI and RNA polymerase are detected. The properties of M.Ecl18kI and M.SsoII mutants are studied. Amino acid substitutions in the N-terminal region of M.Ecl18kI, which performs the regulatory function, are shown to influence not only M.Ecl18kI capability to interact with the regulatory site and to act as a transcription factor, but also its ability to bind and methylate the substrate DNA. The loss of methylation activity does not prevent MTase from performing its regulatory function and even increases its affinity to the regulatory site. However, the presence of the domain responsible for methylation in the M.Ecl18kI molecule is necessary for M.Ecl18kI to perform its regulatory function.

Регуляция транскрипции в бактериальных системах рестрикции-модификации (Р-М) является важным процессом, обеспечивающим согласованную экспрессию тандема ферментов - ДНК-метилтрансферазы (МТазы) и эндонуклеазы рестрикции (ЭР), защищающих клетку от проникновения чужеродной ДНК. В данной работе исследовали С5-цитозиновую МТазу Ecl18kI (M.Ecl18kI), по структуре и свойствам практически идентичную МТазе SsoII (M.SsoII). Обе МТазы ингибируют экспрессию собственного гена и активируют экспрессию гена сопряженной ЭР, связываясь с регуляторным участком в промоторной области этих генов. Нами изучено комплексообразование M.Ecl18kI и РНК-полимеразы Escherichia coli с промоторными областями генов МТазы и ЭР, детализирован механизм регуляции экспрессии генов в системе Р-М Ecl18kI. Показано, что M.Ecl18kI конкурирует с РНК-полимеразой за связывание с промоторным участком, однако непосредственных контактов между M.Ecl18kI и РНК-полимеразой не выявлено. Изучены свойства мутантных форм М.Ecl18kI и M.SsoII. Установлено, что аминокислотные замены в N-концевой области M.Ecl18kI, выполняющей регуляторную функцию, влияют не только на способность этого белка взаимодействовать с регуляторным участком и выступать в роли фактора транскрипции, но и на его способность связывать и метилировать ДНК-субстрат. Потеря МТазой метилирующей активности не препятствует регуляции этим белком транскрипции генов в системе Р-М Ecl18kI и даже усиливает сродство к регуляторному участку. Однако наличие в молекуле M.Ecl18kI домена, ответственного за метилирование, необходимо для выполнения регуляторной функции M.Ecl18kI.

restriction–modification systems(cytosine-5)-DNA methyltransferaseDNA–protein interactionstranscriptional regulationсистемы рестрикции-модификацииС5-цитозиновая ДНК-метилтрансферазаДНК-белковые взаимодействиярегуляция транскрипцииThe work was supported by the RFBR (grants No. 12-04-01399 and 12-04-32103), as well as the Federal Program "Scientific and Pedagogical Personnel of Innovative Russia" for 2009-2013 (State contract No. P1045).Работа поддержана РФФИ (гранты № 12-04-01399 и и 12-04-32103), а также ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы (Государственный контракт П1045).[1] Kobayashi I. // Nucleic Acids Research 2001, V.29, P.3742-3756[2] Nagornykh M.O., Bogdanova E.S., Protsenko A.S., Zakharova M.V., Severinov K.V. // Russian Journal of Genetics 2008, V.44, P.523-532[3] Karyagina A., Shilov I., Tashlitskii V., Khodoun M., Vasil’ev S., Lau P.C.K., Nikolskaya I. // Nucleic Acids Research 1997, V.25, P.2114-2120[4] Denjmukhametov M.M., Brevnov M.G., Zakharova M.V., Repyk A.V., Solonin A.S., Petrauskene O.V., Gromova E.S. // FEBS Lett. 1998, V.433, P.233-236[5] Zakharova M.V., Beletskaya I.V., Denjmukhametov M.M., Yurkova T.V., Semenova L.M., Shlyapnikov M.G., Solonin A.S. // Mol. Genet. Genomics 2002, V.267, P.171-178[6] Miyahara M., Ishiwata N., Yoshida Y. // Biol. Pharm. Bull. 1997, V.20, P.201-203[7] Ibáñez M., Alvarez I., Rodríguez-Peña J.M., Rotger R. // Gene 1997, V.196, P.145-158[8] Protsenko A., Zakharova M., Nagornykh M., Solonin A., Severinov K. // Nucleic Acids Research 2009, V.37, P.5322-5330[9] Fedotova E.A., Protsenko A.S., Zakharova M.V., Lavrova N.V., Alekseevsky A.V., Oretskaya T.S., Karyagina A.S., Solonin A.S., Kubareva E.A. // Biochemistry (Moscow). 2009, V.74, P.85-91[10] Vorob’eva O.V., Vasil’ev S.A., Karyagina A.S., Oretskaya T.S., Kubareva E.A. // Molekulyarnaya Biologiya 2000, V.34, P.921-926[11] Shilov I., Tashlitsky V., Khodoun M., Vasil’ev S., Alekseev Y., Kuzubov A., Kubareva E., Karyagina A. // Nucleic Acids Research 1998, V.26, P.2659-2664[12] Ryazanova A.Yu., Molochkov N.V., Abrosimova L.A., Alexeevsky A.V., Karyagina A.S., Protsenko A.S., Friedhoff P., Oretskaya T.S., Kubareva E.A. // Mol. Biol. (Moscow) 2010, V.44, P.807-816[13] Karyagina A.S., Alexeevski A.V., Golovin A.V., Spirin S.A., Vorob’eva O.V., Kubareva E.A. // Biophysics. 2003, V.48, P.S45-S55[14] Severinov K., Darst S.A. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1997, V.94, P.13481-13486[15] Scatchard G. // Annals New York Acad. Sci. 1949, V.51, P.660-672[16] Callen B.P., Shearwin K.E., Egan J.B. // Trends Genet. 2005, V.21, P.339-345[17] Vijesurier R.M., Carlock L., Blumenthal R.M., Dunbar J.C. // Journal of Bacteriology 2000, V.182, P.477-487[18] Ryazanova A.Yu., Winkler I., Friedhoff P., Viryasov M.B., Oretskaya T.S., Kubareva E.A. // Nucleosides, Nucleotides and Nucleic Acids. 2011, V.30, P.632-650[19] Cheng X., Kumar S., Posfai J., Pflugrath J.W., Roberts R.J. // Cell 1993, V.74, P.299-307