Regulation of Universal Stress Protein Genes by Quorum Sensing and RpoS in Burkholderia glumae

Abstract

대부분의 세균들은 살아가면서 여러가지 환경적인 스트레스 즉, 영양결핍, 온도 스트레스, 산화적 스트레스 그리고 독성 물질등과 같은 스트레스에 노출되어 있다. 이런 환경적인 스트레스를 극복하기 위해서 세균들은 스스로를 방어하기 위한 기작을 가지고 있다. 위와 같은 여러가지 스트레스에 반응하는 유전자 중 하나가 universal stress protein 인 usp 유전자이다. 본 연구는 세균성 벼알마름병을 일으키는 Burkholderia glumae가 quorum sensing (QS)이라는 밀도인식 기작과 stationary phase sigma factor로 알려져 있는 Rpos에 의해서 universal stress protein 유전자의 발현조절 기작과 여러가지 스트레스 중 heat shock stress에 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혔다. B. glumae은 신호물질로 N-octanoyl-homoserine lactone (C8-HSL)을 사용하여 cell과 cell 사이에 의사소통을 하는 TofI/TofR QS system을 가지고 있다. tofI는 autoinducer인 C8-HSL를 합성하는 유전자이며, tofR은 이 autoinducer의 receptor 유전자이다. 이 TofR/C8-HSL의 복합체는 toxoflavin의 생합성과 IclR type transcriptional regulator인 qsmR을 조절한다. 우리는 B. glumae의 QS에 의존적인 단백질체 분석을 통하여 universal stress protein들 중 Usp2 단백질을 동정하였다. B. glumae BGR1 전체 genome에서 총 11개의 usp 유전자 (usp1 부터 usp11) 들을 동정하였다. 스트레스 조건에서 실험한 결과 usp1 mutant와 usp2 mutant들은 heat shock stress 후 1시간 내에 죽은 반면, 다른 usp mutants들과 wild-type인 BGR1은 45℃에서 3시간 이상 생존하였다. 모든 usp 유전자들의 발현은 QS에 의해 positive하게 조절되며, 직접적으로는 QsmR에 의해 조절된다. 추가적으로 usp1과 usp2 의 발현은 stationary phase에서 sigma factor인 RpoS에 의해서도 조절된다. 이것은 usp1과 usp2의 promoter region에 RpoS-RNA holoenzyme이 직접 binding하는 것으로 확인을 하였다. usp1의 발현은 37℃에서 28℃ 또는 45℃로 온도 shift에 의해서도 upregulation 되었다. 반면에 usp2의 발현은 온도 스트레스와는 무관하다. 이것은 usp1과 usp2의 발현 조절이 기존에 밝혀져 있는 E. coli의 기작과 다르다는 것을 나타낸다. usp1과 usp2는 heat shock stress 조건에서 B. glumae의 생존에 중요한 역할을 한다는 것을 확인하였다.

Burkholderia glumae possesses a quorum sensing (QS) system mediated by N-octanoyl-homoserine lactone (C8-HSL) and its cognate receptor TofR. TofR/C8-HSL regulates the expression of a transcriptional regulator, qsmR. We identified one of the universal stress proteins (Usps), Usp2, from a genome-wide analysis of QS-dependent proteomes of B. glumae. In the whole genome of B. glumae BGR1, 11 usp genes (usp1 to usp11) were identified. Among the stress conditions tested, usp1 and usp2 mutants died 1 h after heat shock stress, whereas the other usp mutants and the wild-type strain survived for more than 3 h at 45°C. The expression of all usp genes was positively regulated by QS, directly by QsmR. In addition, the expression of usp1 and usp2 was dependent on RpoS in the stationary phase, as confirmed by the direct binding of RpoS-RNA holoenzyme to the promoter regions of the usp1 and usp2 genes. The expression of usp1 was upregulated upon a temperature shift from 37℃ to either 28℃ or 45℃, whereas the expression of usp2 was independent of temperature stress. This indicates that the regulation of usp1 and usp2 expression is different from what is known about Escherichia coli. Compared to the diverse roles of Usps in E. coli, Usps in B. glumae are dedicated to heat shock stress.