DNA supercoiling alleviates cold-sensitivity of promoter melting by extremophilic Deinococcus-Thermus RNA polymerases

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Melting of promoter DNA around the transcription start site (TSS) is a critical step of transcription required for initiation of RNA synthesis. In bacteria, promoter melting is achieved by the holoenzyme of RNA polymerase (RNAP) consisting of the catalytic core enzyme and a promoter recognition subunit, the σ factor. Previously, we showed that RNAPs from thermophilic Thermus aquaticus and mesophilic Deinococcus radiodurans are unable to open promoters at ambient temperatures and require heating for DNA melting. These properties depend on their σ factors and are recapitulated in hybrid holoenzymes including these σ factors and the core enzyme of Escherichia coli. Here, we show that DNA supercoiling alleviates the observed cold-sensitivity of promoter opening by Deinococcus-Thermus RNAPs and by hybrid holoenzymes and allows melting of the transcription start site at the same temperatures as in the case of E. coli RNAP. Supercoiling also suppresses salt sensitivity of promoter complexes formed by these RNAPs. The results demonstrate that RNAPs from Deinococcus-Thermus species are sensitive to DNA supercoiling and suggest that they can be rapidly switched-off or activated by the supercoiling state of the host genomes.

About the authors

A. V. Kulbachinskiy

National Research Center "Kurchatov Institute"; Institute of Gene Biology, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: avkulb@yandex.ru
Moscow

References

  1. Hustmyer, C. M., and Landick, R. (2024) Bacterial chromatin proteins, transcription, and DNA topology: inseparable partners in the con-trol of gene expression, Mol. Microbiol., 122, 81-112, https://doi.org/10.1111/mmi.15283.
  2. Kant, A., Guo, Z., Vinayak, V., Neguembor, M. V., Li, W. S., Agrawal, V., Pujadas, E., Almassalha, L., Backman, V., Lakadamyali, M., Cosma, M. P., and Shenoy, V. B. (2024) Active transcription and epigenetic reactions synergistically regulate meso-scale genomic organization, Nat. Commun., 15, 4338, https://doi.org/10.1038/s41467-024-48698-z.
  3. Figueroa-Bossi, N., Fernandez-Fernandez, R., Kerboriou, P., Bouloc, P., Casadesus, J., Sanchez-Romero, M. A., and Bossi, L. (2024) Transcription-driven DNA supercoiling counteracts H-NS-mediated gene silencing in bacterial chromatin, Nat. Commun., 15, 2787, https://doi.org/10.1038/s41467-024-47114-w.
  4. Kumar, C., and Remus, D. (2024) Looping out of control: R-loops in transcription-replication conflict, Chromosoma, 133, 37-56, https://doi.org/10.1007/s00412-023-00804-8.
  5. Santos-Pereira, J. M., and Aguilera, A. (2015) R loops: new modulators of genome dynamics and function, Nat. Rev. Genet., 16, 583-597, https://doi.org/10.1038/nrg3961.
  6. Sutormin, D., Galivondzhyan, A., Musharova, O., Travin, D., Rusanova, A., Obraztsova, K., Borukhov, S., and Severinov, K. (2022) In-teraction between transcribing RNA polymerase and topoisomerase I prevents R-loop formation in E. coli, Nat. Commun., 13, 4524, https://doi.org/10.1038/s41467-022-32106-5.
  7. Borowiec, J. A., and Gralla, J. D. (1985) Supercoiling response of the lac ps promoter in vitro, J. Mol. Biol., 184, 587-598, https://doi.org/10.1016/0022-2836(85)90305-5.
  8. Buc, H., and McClure, W. R. (1985) Kinetics of open complex formation between Escherichia coli RNA polymerase and the lac UV5 promoter. Evidence for a sequential mechanism involving three steps, Biochemistry, 24, 2712-2723, https://doi.org/10.1021/bi00332a018.
  9. Mishra, R. K., Gopal, V., and Chatterji, D. (1990) Correlation between the DNA supercoiling and the initiation of transcription by Esche-richia coli RNA polymerase in vitro: role of the sequences upstream of the promoter region, FEBS Lett., 260, 273-276, https://doi.org/10.1016/0014-5793(90)80121-x.
  10. Nickerson, C. A., and Achberger, E. C. (1995) Role of curved DNA in binding of Escherichia coli RNA polymerase to promoters, J Bac-teriol, 177, 5756-5761, https://doi.org/10.1128/jb.177.20.5756-5761.1995.
  11. Ehrlich, R., Larousse, A., Jacquet, M. A., Marin, M., and Reiss, C. (1985) In vitro transcription initiation from three different Escherichia coli promoters. Effect of supercoiling, Eur. J. Biochem., 148, 293-298, https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1985.tb08838.x.
  12. Burns, H., and Minchin, S. (1994) Thermal energy requirement for strand separation during transcription initiation: the effect of super-coiling and extended protein DNA contacts, Nucleic Acids Res., 22, 3840-3845, https://doi.org/10.1093/nar/22.19.3840.
  13. Ding, B. (2010) Viroids: self-replicating, mobile, and fast-evolving noncoding regulatory RNAs, Wiley Interdiscip. Rev. RNA, 1, 362-375, https://doi.org/10.1002/wrna.22.
  14. Figueroa-Bossi, N., Guerin, M., Rahmouni, R., Leng, M., and Bossi, L. (1998) The supercoiling sensitivity of a bacterial tRNA promoter parallels its responsiveness to stringent control, EMBO J., 17, 2359-2367, https://doi.org/10.1093/emboj/17.8.2359.
  15. Revyakin, A., Liu, C., Ebright, R. H., and Strick, T. R. (2006) Abortive initiation and productive initiation by RNA polymerase involve DNA scrunching, Science, 314, 1139-1143, https://doi.org/10.1126/science.1131398.
  16. Kulbachinskiy, A., Bass, I., Bogdanova, E., Goldfarb, A., and Nikiforov, V. (2004) Cold sensitivity of thermophilic and mesophilic RNA polymerases, J. Bacteriol., 186, 7818-7820, https://doi.org/10.1128/JB.186.22.7818-7820.2004.
  17. Meier, T., Schickor, P., Wedel, A., Cellai, L., and Heumann, H. (1995) In vitro transcription close to the melting point of DNA: analysis of Thermotoga maritima RNA polymerase-promoter complexes at 75 degrees C using chemical probes, Nucleic Acids Res., 23, 988-994, https://doi.org/10.1093/nar/23.6.988.
  18. Minakhin, L., Nechaev, S., Campbell, E. A., and Severinov, K. (2001) Recombinant Thermus aquaticus RNA polymerase, a new tool for structure- based analysis of transcription, J. Bacteriol., 183, 71-76, https://doi.org/10.1128/JB.183.1.71-76.2001.
  19. Nikiforov, V. G. (1970) Substrate dependent heterogeneity of initiation by RNA polymerase from thermophilic B. megaterium, FEBS Lett., 9, 186-188, https://doi.org/10.1016/0014-5793(70)80351-9.
  20. Remold-O’Donnell, E., and Zillig, W. (1969) Purification and properties of DNA-dependent RNA-polymerase from Bacillus stearother-mophilus, Eur. J. Biochem., 7, 318-323, https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1969.tb19610.x.
  21. Xue, Y., Hogan, B. P., and Erie, D. A. (2000) Purification and initial characterization of RNA polymerase from Thermus thermophilus strain HB8, Biochemistry, 39, 14356-14362, https://doi.org/10.1021/bi0012538.
  22. Barinova, N., Zhilina, E., Bass, I., Nikiforov, V., and Kulbachinskiy, A. (2008) Lineage-specific amino acid substitutions in region 2 of the RNA polymerase sigma subunit affect the temperature of promoter opening, J. Bacteriol., 190, 3088-3092, https://doi.org/10.1128/JB.00008-08.
  23. Miropolskaya, N., Ignatov, A., Bass, I., Zhilina, E., Pupov, D., and Kulbachinskiy, A. (2012) Distinct functions of regions 1.1 and 1.2 of RNA polymerase sigma subunits from Escherichia coli and Thermus aquaticus in transcription initiation, J. Biol. Chem., 287, 23779-23789, https://doi.org/10.1074/jbc.M112.363242.
  24. Feklistov, A., Barinova, N., Sevostyanova, A., Heyduk, E., Bass, I., Vvedenskaya, I., Kuznedelov, K., Merkiene, E., Stavrovskaya, E., Klimasauskas, S., Nikiforov, V., Heyduk, T., Severinov, K., and Kulbachinskiy, A. (2006) A basal promoter element recognized by free RNA polymerase sigma subunit determines promoter recognition by RNA polymerase holoenzyme, Mol. Cell, 23, 97-107, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2006.06.010.
  25. Feklistov, A., Sharon, B. D., Darst, S. A., and Gross, C. A. (2014) Bacterial sigma factors: a historical, structural, and genomic perspective, Annu. Rev. Microbiol., 68, 357-376, https://doi.org/10.1146/annurev-micro-092412-155737.
  26. Haugen, S. P., Berkmen, M. B., Ross, W., Gaal, T., Ward, C., and Gourse, R. L. (2006) rRNA promoter regulation by nonoptimal binding of sigma region 1.2: an additional recognition element for RNA polymerase, Cell, 125, 1069-1082, https://doi.org/10.1016/j.cell.2006.04.034.
  27. Miropolskaya, N., Artsimovitch, I., Klimasauskas, S., Nikiforov, V., and Kulbachinskiy, A. (2009) Allosteric control of catalysis by the F loop of RNA polymerase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 106, 18942-18947, https://doi.org/10.1073/pnas.0905402106.
  28. Miropolskaya, N., Esyunina, D., Klimasauskas, S., Nikiforov, V., Artsimovitch, I., and Kulbachinskiy, A. (2014) Interplay between the trigger loop and the F loop during RNA polymerase catalysis, Nucleic Acids Res., 42, 544-552, https://doi.org/10.1093/nar/gkt877.
  29. Borukhov, S., and Goldfarb, A. (1993) Recombinant Escherichia coli RNA polymerase: purification of individually overexpressed subunits and in vitro assembly, Protein. Express Purif., 4, 503-511, https://doi.org/10.1006/prep.1993.1066.
  30. Nudler, E., Kashlev, M., Nikiforov, V., and Goldfarb, A. (1995) Coupling between transcription termination and RNA polymerase inch-worming, Cell, 81, 351-357, https://doi.org/10.1016/0092-8674(95)90388-7.
  31. Pommier, Y., Sun, Y., Huang, S. N., and Nitiss, J. L. (2016) Roles of eukaryotic topoisomerases in transcription, replication and genomic stability, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 17, 703-721, https://doi.org/10.1038/nrm.2016.111.
  32. Kulbachinskiy, A., Feklistov, A., Krasheninnikov, I., Goldfarb, A., and Nikiforov, V. (2004) Aptamers to Escherichia coli core RNA polymerase that sense its interaction with rifampicin, sigma-subunit and GreB, Eur. J. Biochem., 271, 4921-4931, https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.2004.04461.x.
  33. Gourse, R. L. (1988) Visualization and quantitative analysis of complex formation between E. coli RNA polymerase and an rRNA pro-moter in vitro, Nucleic Acids Res., 16, 9789-9809, https://doi.org/10.1093/nar/16.20.9789.
  34. Newlands, J. T., Ross, W., Gosink, K. K., and Gourse, R. L. (1991) Factor-independent activation of Escherichia coli rRNA transcription. II. Characterization of complexes of rrnB P1 promoters containing or lacking the upstream activator region with Escherichia coli RNA polymerase, J. Mol. Biol., 220, 569-583, https://doi.org/10.1016/ 0022-2836(91)90101-b.
  35. Ding, H. F., and Winkler, H. H. (1993) Characterization of the DNA-melting function of the Rickettsia prowazekii RNA polymerase, J. Biol. Chem., 268, 3897-3902, https://doi.org/10.1016/S0021-9258(18)53557-2.
  36. Miropolskaya, N., Esyunina, D., and Kulbachinskiy, A. (2017) Conserved functions of the trigger loop and Gre factors in RNA cleavage by bacterial RNA polymerases, J. Biol. Chem., 292, 6744-6752, https://doi.org/10.1074/ jbc.M116.766592.
  37. Miropolskaya, N., Nikiforov, V., Klimasauskas, S., Artsimovitch, I., and Kulbachinskiy, A. (2010) Modulation of RNA polymerase activ-ity through trigger loop folding, Transcription, 1, 89-94, https://doi.org/10.4161/trns.1.2.12544.
  38. Goldman, S. R., Sharp, J. S., Vvedenskaya, I. O., Livny, J., Dove, S. L., and Nickels, B. E. (2011) NanoRNAs prime transcription initiation in vivo, Mol. Cell, 42, 817-825, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2011.06.005.
  39. Agapov, A. A., and Kulbachinskiy, A. V. (2015) Mechanisms of stress resistance and gene regulation in the radioresistant bacterium De-inococcus radiodurans, Biochemistry (Moscow), 80, 1201-1216, https://doi.org/10.1134/S0006297915100016.
  40. Slade, D., and Radman, M. (2011) Oxidative stress resistance in Deinococcus radiodurans, Microbiol. Mol. Biol. Rev., 75, 133-191, https://doi.org/10.1128/MMBR.00015-10.
  41. Esyunina, D., Turtola, M., Pupov, D., Bass, I., Klimasauskas, S., Belogurov, G., and Kulbachinskiy, A. (2016) Lineage-specific variations in the trigger loop modulate RNA proofreading by bacterial RNA polymerases, Nucleic Acids Res., 44, 1298-1308, https://doi.org/10.1093/nar/gkv1521.
  42. Agapov, A., Esyunina, D., Pupov, D., and Kulbachinskiy, A. (2016) Regulation of transcription initiation by Gfh factors from Deinococcus radiodurans, Biochem. J., 473, 4493-4505, https://doi.org/10.1042/BCJ20160659.
  43. Esyunina, D., Agapov, A., and Kulbachinskiy, A. (2016) Regulation of transcriptional pausing through the secondary channel of RNA polymerase, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 113, 8699-8704, https://doi.org/10.1073/pnas.1603531113.
  44. Kota, S., Chaudhary, R., Mishra, S., and Misra, H. S. (2021) Topoisomerase IB interacts with genome segregation proteins and is involved in multipartite genome maintenance in Deinococcus radiodurans, Microbiol. Res., 242, 126609, https://doi.org/10.1016/j.micres.2020.126609.
  45. Kota, S., Charaka, V. K., Ringgaard, S., Waldor, M. K., and Misra, H. S. (2014) PprA contributes to Deinococcus radiodurans resistance to nalidixic acid, genome maintenance after DNA damage and interacts with deinococcal topoisomerases, PLoS One, 9, e85288, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0085288.
  46. Kota, S., Charaka, V. K., and Misra, H. S. (2014) PprA, a pleiotropic protein for radioresistance, works through DNA gyrase and shows cellular dynamics during postirradiation recovery in Deinococcus radiodurans, J. Genet., 93, 349-354, https://doi.org/10.1007/s12041-014-0382-z.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».