Structural Elucidation of the Novel RNA Polymerase Underlying Francisella Tularensis Virulence
土拉弗朗西斯菌毒力背后的新型 RNA 聚合酶的结构解析
基本信息
- 批准号:10089396
- 负责人:
- 金额:$ 19.48万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2020
- 资助国家:美国
- 起止时间:2020-02-01 至 2022-01-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:AffinityAutomobile DrivingBacteriaBindingBinding SitesBiochemicalBiological AssayC-terminalCategoriesCellsChIP-seqComplexCryoelectron MicroscopyDNA-Binding ProteinsDNA-Directed RNA PolymeraseDangerousnessDevelopmentDisease OutbreaksDissectionDockingFluorescence PolarizationFrancisellaFrancisella tularensisGene ActivationGenesGenetic TranscriptionGoalsGovernmentGrowthGuanosine TetraphosphateHelix-Turn-Helix MotifsHeterodimerizationHoloenzymesHumanInfectionInfectious AgentKnowledgeLaboratoriesMapsMediatingMedical centerMolecularMorbidity - disease ratePathogenicityPathogenicity IslandPolymeraseProteinsRNA Polymerase IRNA Polymerase IIRegulator GenesResearchResolutionSignal TransductionStarvationState GovernmentStressStructureSystemTailTestingTherapeuticTranscriptional ActivationTranscriptional RegulationTularemiaUnited StatesVirulenceVirulence FactorsWinged Helixaerosolizedbioweaponcell typedesignexperimental studyinhibitor/antagonistinsightmacrophagemanmortalitynew therapeutic targetnovelnovel therapeuticspathogenic bacteriaprogramspromoterrecruitstructural biology
项目摘要
Francisella tularensis, the causative agent of tularemia, is one of the most infectious bacterial pathogens
known. This bacterium can be readily aerosolized and utilized as a bioweapon. The morbidity and mortality of
tularemia are significant and, given the infectious capability of Francisella, a major outbreak would readily
overwhelm the ability of even the largest U.S. medical centers. Consequently, Francisella is classified as a
category A bioweapon by the US government. Genes encoded on the Francisella pathogenicity island (FPI),
are responsible for the virulence of this bacterium. The stringent starvation protein A (SspA), the macrophage
growth locus protein A (MglA) and the pathogenicity island gene regulator (PigR) mediate activation of these
genes and are therefore essential for the virulence of Francisella species that infect humans. MglA and PigR
are unique to Francisella whereas SspA proteins are found in multiple bacteria. The Francisella SspA,
however, is unusual in that it does not homodimerize but rather functions as a heterodimer with MglA. PigR is a
putative DNA binding protein with a predicted winged-helix-turn-helix motif. How SspA-MglA and PigR mediate
FPI activation is unknown, as is the underlying molecular mechanism that these proteins use to sense
infection. The overarching goal of this proposal is the molecular dissection of these mechanisms through the
study of these virulence factors in the human pathogenic Francisella tularensis tularensis and holartica
subspecies. Early studies implicated the “alarmone”, guanosine-tetraphosphate (ppGpp), as key for Francisella
virulence. We recently showed that ppGpp binds directly to MglA-SspA and unveiled the molecular details of
this interaction by solving the MglA-SspA-ppGpp complex structure. Further, we showed that ppGpp binding to
MglA-SspA mediates high affinity binding of PigR to this heterodimer. In this revised proposal, we shall
leverage our recent discoveries to dissect all components of the Francisella virulence regulatory system,
including critically, the Francisella RNA polymerase (RNAP). Our central hypothesis is that F. tularensis
employs a conceptually novel form of virulence activation involving a unique RNAP that contains the virulence
activating complex MglA-SspA as a core constituent. This is supported by ChIP-seq studies and RNAP
purifications from Francisella cells. We shall test our central hypothesis and complete the proposed objectives
through two Specific Aims. Specific Aim 1: Elucidate the high resolution structure of (MglA-SspA)-ppGpp-PigR
and identify inhibitors of ppGpp binding to MglA-SspA. Specific Aim 2: Determine the structure of Francisella
RNAP complexes by cryo-EM. The successful completion of these studies will reveal a new paradigm in
transcription regulation and enable the rational design of novel anti-Francisella-virulence therapeutics.
土拉热弗朗西斯菌是土拉热病的病原体,是最具传染性的细菌病原体之一
已知这种细菌可以容易地雾化并用作生物武器。
土拉菌病很严重,鉴于弗朗西斯菌的传染能力,很容易发生大规模爆发
弗朗西斯拉的能力甚至超过了美国最大的医疗中心的测试能力,被列为一类。
美国政府的 A 类生物武器,在弗朗西斯菌致病岛 (FPI) 上编码的基因,
该细菌的毒力由严格饥饿蛋白 A (SspA)(巨噬细胞)负责。
生长位点蛋白 A (MglA) 和致病岛基因调节因子 (PigR) 介导这些基因的激活
基因,因此对于感染人类的弗朗西斯菌属物种的毒力至关重要。
是弗朗西斯菌所特有的,而弗朗西斯菌 SspA 蛋白存在于多种细菌中。
然而,其不同寻常之处在于它不形成同二聚体,而是与 MglA 形成异二聚体。
具有预测的翼状螺旋-转角-螺旋基序的假定 DNA 结合蛋白 SspA-MglA 和 PigR 如何介导。
FPI 激活尚不清楚,这些蛋白质用于感知的潜在分子机制也是未知的
该提案的总体目标是通过分子解剖这些机制。
人类致病性土拉弗朗西斯菌和霍拉蒂卡毒力因子的研究
早期研究表明“警报素”、四磷酸鸟苷 (ppGpp) 是弗朗西斯菌的关键。
我们最近证明 ppGpp 直接与 MglA-SspA 结合,并揭示了 ppGpp 的分子细节。
通过解析 MglA-SspA-ppGpp 复合物结构,我们进一步证明了 ppGpp 的结合。
MglA-SspA 介导 PigR 与该异二聚体的高亲和力结合。
利用我们最近的发现来剖析弗朗西斯菌毒力监管系统的所有组成部分,
其中最重要的是弗朗西斯菌 RNA 聚合酶 (RNAP),我们的中心假设是土拉弗朗西斯菌 (F. tularensis)。
采用概念上新颖的毒力激活形式,一种包含毒力的独特RNAP
激活复合物 MglA-SspA 作为核心成分这一点得到了 ChIP-seq 研究和 RNAP 的支持。
我们将测试我们的中心假设并完成拟议的目标。
通过两个具体目标具体目标 1:阐明 (MglA-SspA)-ppGpp-PigR 的高分辨率结构。
并鉴定 ppGpp 与 MglA-SspA 结合的抑制剂 具体目标 2:确定弗朗西斯菌的结构。
这些研究的成功完成将揭示 RNAP 复合物的新范例。
转录调控并能够合理设计新型抗弗朗西斯菌毒力疗法。
项目成果
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