“Probable acetyltransferase” TTHA1209 Thermus thermophilus bacteria: Gene cloning, structural and functional analysis of the enzyme

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. In the last decade, bacterial N-acetyltransferases (ATs) have been intensively studied because they are involved in the biosynthesis/inactivation of antibiotics, form the “toxin-antitoxin” system and the acetylation status of proteins and peptides influences their virulence and pathogenicity. AT enzymes have a low percentage of amino acid sequence identity, which complicates their identification and annotation in genomes. In this regard, the aim of this work was the structural and functional analysis of a new “probable” acetyltransferase encoded by the open reading frame (ORF) TTHA1209 of the bacterium T. thermophilus.

Materials and methods. Structural analysis of the enzyme was carried out using bioinformatics methods. Genetic engineering methods were used to clone the TTHA1209 gene. Affinity chromatography was used to purify the protein. The protein activity was tested in an in vitro reaction of acetylation of the model protein parvalbumin (PA). The incorporation of an acetyl group at the N-terminus of PA was evaluated by mass spectrometry.

Results. It was found that TTHA1209 share single GNAT domain in its structure and exhibits the alternation of secondary structure elements and three-dimensional folding characteristic of N-terminal At (NAT). The similarity of the structure of the TTHA1209 enzyme with orthologous proteins from E. coli was investigated. The highest percentage identity of TTHA1209 is observed with the RimI enzyme (27%). It has been shown that the TTHA1209 enzyme acetylates parvalbumin, i.e. has a specific Nα-acetyltransferase activity.

Conclusion. The new enzyme TTHA1209 from the bacterium T. thermophilus exhibits properties characteristic of NAT at all levels of organization, has a specific activity and can be annotated in the genome as an N-terminal acetyltransferase. The results obtained create the prerequisites for further investigation of the substrate specificity and biochemical properties of the new NAT TTHA1209, which will open up prospects for its use in biotechnology for the acetylation of proteins and peptides.

About the authors

Timofey A. Kudryashov

Federal Research Center "Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences", Institute for Biological Instrumentation

Author for correspondence.
Email: kudryashovtimm@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-2092-7028

Junior Researcher at the Laboratory of New Methods in Biology

 

Russian Federation, 3, Nauki Ave., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation

Eugene V. Loktyushov

Federal Research Center "Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences", Institute for Biological Instrumentation

Email: zhenyaloktushov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2028-1789

Research Fellow at the Laboratory of New Methods in Biology

 

Russian Federation, 3, Nauki Ave., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation

Maria V. Trunilina

Federal Research Center "Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences", Institute for Biological Instrumentation

Email: masha.trunilina@mail.ru
ORCID iD: 0009-0002-9171-3083

Biotechnologist at the Laboratory of New Methods in Biology

 

Russian Federation, 3, Nauki Ave., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation

Vyacheslav V. Bykov

Federal Research Center "Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences", Institute for Biological Instrumentation

Email: naggilan88@gmail.com
ORCID iD: 0009-0001-3978-7862

Technician at the Laboratory of New Methods in Biology

 

Russian Federation, 3, Nauki Ave., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation

Andrey S. Sokolov

Federal Research Center "Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences", Institute for Biological Instrumentation

Email: 212sok@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7145-251X

Cand. of Bio. Sc., Senior Research at the Laboratory of New Methods in Biology

 

Russian Federation, 3, Nauki Ave., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation

Yulia S. Lapteva

Federal Research Center "Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences", Institute for Biological Instrumentation

Email: yulia.s.lapteva@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6607-9861
SPIN-code: 9441-3917
Scopus Author ID: 55257828600
ResearcherId: D-7227-2012

Cand. of Bio. Sc., Assistant professor, Senior Research at the Laboratory of New Methods in Biology

 

Russian Federation, 3, Nauki Ave., Pushchino, Moscow region, 142290, Russian Federation

References

  1. Bernal-Perez, L. F., & Ryu, Y. (2015). RimJ-Catalyzed Sequence-Specific Protein N-Terminal Acetylation in Escherichia coli. Advances in Bioscience and Biotechnology, 6, 12. https://doi.org/10.4236/abb.2015.63018
  2. Bernal-Perez, L. F., Sahyouni, F., Prokai, L., & Ryu, Y. (2012). RimJ-mediated context-dependent N-terminal acetylation of the recombinant Z-domain protein in Escherichia coli. Mol Biosyst, 8, 1128-1130. https://doi.org/10.1039/c2mb05499j
  3. Bienvenut, W. V., Giglione, C., & Meinnel, T. (2015). Proteome-wide analysis of the amino terminal status of Escherichia coli proteins at the steady-state and upon deformylation inhibition. Proteomics, 15, 2503-2518. https://doi.org/10.1002/pmic.201500027
  4. Burckhardt, R. M., & Escalante-Semerena, J. C. (2020). Small-Molecule Acetylation by GCN5-Related N-Acetyltransferases in Bacteria. Microbiol Mol Biol Rev, 84. https://doi.org/10.1128/MMBR.00090-19 EDN: https://elibrary.ru/ATYYYZ
  5. Chen, W., Biswas, T., Porter, V. R., Tsodikov, O. V., & Garneau-Tsodikova, S. (2011). Unusual regioversatility of acetyltransferase Eis, a cause of drug resistance in XDR-TB. Proc Natl Acad Sci U S A, 108, 9804-9808. https://doi.org/10.1073/pnas.1105379108
  6. Christensen, D. G., Meyer, J. G., Baumgartner, J. T., D’Souza, A. K., Nelson, W. C., Payne, S. H., Kuhn, M. L., Schilling, B., & Wolfe, A. J. (2018). Identification of Novel Protein Lysine Acetyltransferases in Escherichia coli. mBio, 9. https://doi.org/10.1128/mBio.01905-18
  7. Collars, O. A., Jones, B. S., Hu, D. D., Weaver, S. D., Sherman, T. A., Champion, M. M., & Champion, P. A. (2023). An N-acetyltransferase required for ESAT-6 N-terminal acetylation and virulence in Mycobacterium marinum. mBio, 14, e0098723. https://doi.org/10.1128/mbio.00987-23 EDN: https://elibrary.ru/TZOYBZ
  8. D’Accolti, M., Bellotti, D., Dzien, E., Leonetti, C., Leveraro, S., Albanese, V., Marzola, E., Guerrini, R., Caselli, E., Rowinska-Zyrek, M., & Remelli, M. (2023). Impact of C- and N-terminal protection on the stability, metal chelation and antimicrobial properties of calcitermin. Sci Rep, 13, 18228. https://doi.org/10.1038/s41598-023-45437-0 EDN: https://elibrary.ru/MTBIVO
  9. Dash, A., & Modak, R. (2021). Protein Acetyltransferases Mediate Bacterial Adaptation to a Diverse Environment. J Bacteriol, 203, e0023121. https://doi.org/10.1128/JB.00231-21 EDN: https://elibrary.ru/DSNGDE
  10. Deng, S., & Marmorstein, R. (2021). Protein N-Terminal Acetylation: Structural Basis, Mechanism, Versatility, and Regulation. Trends Biochem Sci, 46, 15-27. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2020.08.005 EDN: https://elibrary.ru/HVAAQD
  11. Esipov, R. S., Makarov, D. A., Stepanenko, V. N., & Miroshnikov, A. I. (2016). Development of the intein-mediated method for production of recombinant thymosin beta4 from the acetylated in vivo fusion protein. J Biotechnol, 228, 73-81. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2016.02.021 EDN: https://elibrary.ru/WWJBLJ
  12. Favrot, L., Blanchard, J. S., & Vergnolle, O. (2016). Bacterial GCN5-Related N-Acetyltransferases: From Resistance to Regulation. Biochemistry, 23, 989-1002. https://doi.org/10.1021/acs.biochem.5b01269 EDN: https://elibrary.ru/WVMSQP
  13. Huang, E., & Yousef, A. E. (2015). Biosynthesis of paenibacillin, a lantibiotic with N-terminal acetylation, by Paenibacillus polymyxa. Microbiol Res, 181, 15-21. https://doi.org/10.1016/j.micres.2015.08.001 EDN: https://elibrary.ru/YECKUW
  14. Isono, K., & Isono, S. (1980). Ribosomal protein modification in Escherichia coli. II. Studies of a mutant lacking the N-terminal acetylation of protein S18. Mol. Gen. Genet, 177, 645-651. https://doi.org/10.1007/bf00272675 EDN: https://elibrary.ru/IFVGVY
  15. Kazakov, T., Kuznedelov, K., Semenova, E., Mukhamedyarov, D., Datsenko, K. A., Metlitskaya, A., Vondenhoff, G. H., Tikhonov, A., Agarwal, V., Nair, S., Van Aerschot, A., & Severinov, K. (2014). The RimL transacetylase provides resistance to translation inhibitor microcin C. J Bacteriology, 196, 3377-3385. https://doi.org/10.1128/JB.01584-14 EDN: https://elibrary.ru/UEYGQT
  16. Kudryashov, T. A., Trunilina, M. V., Bykov, V. V., Boldaevsky, I. S., Sokolov, A. S., & Lapteva, Y. S. (2023). Development of an algorithm for N-terminal acetyltransferases identification and verification of their functional activity. JOURNAL BIOMED, 19, 43-46. https://doi.org/10.33647/2713-0428-19-3 EDN: https://elibrary.ru/BJNZTF
  17. Lapteva, Y. S., Vologzhannikova, A. A., Sokolov, A. S., Ismailov, R. G., Uversky, V. N., & Permyakov, S. E. (2021). In Vitro N-Terminal Acetylation of Bacterially Expressed Parvalbumins by N-Terminal Acetyltransferases from Escherichia coli. Appl Biochem Biotechnol. https://doi.org/10.1007/s12010-020-03324-8 EDN: https://elibrary.ru/CZOUMS
  18. Le, V. T. B., Tsimbalyuk, S., Lim, E. Q., Solis, A., Gawat, D., Boeck, P., Lim, E. Q., Renolo, R., Forwood, J. K., & Kuhn, M. L. (2021). The Vibrio cholerae SpeG Spermidine/Spermine N-Acetyltransferase Allosteric Loop and beta6-beta7 Structural Elements Are Critical for Kinetic Activity. Front Mol Biosci, 8, 645768. https://doi.org/10.3389/fmolb.2021.645768 EDN: https://elibrary.ru/HFGLJF
  19. Lee, K., & Back, K. (2023). Escherichia coli RimI Encodes Serotonin N-Acetyltransferase Activity and Its Overexpression Leads to Enhanced Growth and Melatonin Biosynthesis. Biomolecules, 13, 908. https://doi.org/10.3390/biom13060908 EDN: https://elibrary.ru/KUBTTZ
  20. Li, D., Yang, Y., Li, R., Huang, L., Wang, Z., Deng, Q., & Dong, S. (2021). N-terminal acetylation of antimicrobial peptide L163 improves its stability against protease degradation. J Pept Sci, 27, e3337. https://doi.org/10.1002/psc.3337 EDN: https://elibrary.ru/HPPSFL
  21. Miao, L., Fang, H., Li, Y., & Chen, H. (2007). Studies of the in vitro Nalpha-acetyltransferase activities of E. coli RimL protein. Biochem Biophys Res Commun, 357, 641-647. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2007.03.171
  22. Miasaki, K. M. F., Wilke, N., Neto, J. R., & Alvares, D. S. (2020). N-terminal acetylation of a mastoparan-like peptide enhances PE/PG segregation in model membranes. Chem Phys Lipids, 232, 104975. https://doi.org/10.1016/j.chemphyslip.2020.104975 EDN: https://elibrary.ru/TSXNWP
  23. Nesterchuk, M. V., Sergiev, P. V., & Dontsova, O. A. (2011). Posttranslational Modifications of Ribosomal Proteins in Escherichia coli. Acta Naturae, 3, 22-33. https://doi.org/10.32607/20758251-2011-3-2-22-33 EDN: https://elibrary.ru/OXKWAZ
  24. Pace, C. N., Vajdos, F., Fee, L., Grimsley, G., & Gray, T. (1995). How to measure and predict the molar absorption coefficient of a protein. Protein Sci., 4, 2411-2423. https://doi.org/10.1002/pro.5560041120 EDN: https://elibrary.ru/XZNIPR
  25. Pal, M., Yadav, V. K., Pal, P., Agarwal, N., & Rao, A. (2023). The physiological effect of rimI/rimJ silencing by CRISPR interference in Mycobacterium smegmatis mc(2)155. Arch Microbiol, 205, 211. https://doi.org/10.1007/s00203-023-03561-5 EDN: https://elibrary.ru/WNBFRF
  26. Pathak, D., Bhat, A. H., Sapehia, V., Rai, J., & Rao, A. (2016). Biochemical evidence for relaxed substrate specificity of Na-acetyltransferase (Rv3420c/rimI) of Mycobacterium tuberculosis. Scientific reports, 6, 12.
  27. Peri, S., Steen, H., & Pandey, A. (2001). GPMAW-a software tool for analyzing proteins and peptides. Trends Biochem Sci, 26, 687-689. https://doi.org/10.1016/s0968-0004(01)01954-5 EDN: https://elibrary.ru/AQGWYS
  28. Permyakov, S. E., Vologzhannikova, A. A., Emelyanenko, V. I., Knyazeva, E. L., Kazakov, A. S., Lapteva, Y. S., Permyakova, M. E., Zhadan, A. P., & Permyakov, E. A. (2012). The impact of alpha-N-acetylation on structural and functional status of parvalbumin. Cell Calcium, 52, 366-376. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2012.06.002 EDN: https://elibrary.ru/SOHVBX
  29. Pletnev, P. I., Shulenina, O., Evfratov, S., Treshin, V., Subach, M. F., Serebryakova, M. V., Osterman, I. A., Paleskava, A., Bogdanov, A. A., Dontsova, O. A., Konevega, A. L., & Sergiev, P. V. (2022). Ribosomal protein S18 acetyltransferase RimI is responsible for the acetylation of elongation factor Tu. J Biol Chem, 298, 101914. https://doi.org/10.1016/j.jbc.2022.101914 EDN: https://elibrary.ru/PJSPCV
  30. Ren, Y., Yao, X., Dai, H., Li, S., Fang, H., Chen, H., & Zhou, C. (2011). Production of Na-acetylated thymosin a1 in Escherichia coli. Microbial Cell Factories, 10, 2-8. https://doi.org/10.1186/1475-2859-10-26 EDN: https://elibrary.ru/ONECBZ
  31. Roy-Chaudhuri, B., Kirthi, N., Kelley, T., & Culver, G. M. (2008). Suppression of a cold-sensitive mutation in ribosomal protein S5 reveals a role for RimJ in ribosome biogenesis. Mol Microbiol, 68, 1547-1559. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2008.06252.x
  32. Schmidt, A., Kochanowski, K., Vedelaar, S., Ahrne, E., Volkmer, B., Callipo, L., Knoops, K., Bauer, M., Aebersold, R., & Heinemann, M. (2016). The quantitative and condition-dependent Escherichia coli proteome. Nat Biotechnol, 34, 104-110. https://doi.org/10.1038/nbt.3418 EDN: https://elibrary.ru/BUYYEB
  33. Vetting, M. W., Bareich, D. C., Yu, M., & Blanchard, J. S. (2008). Crystal structure of RimI from Salmonella typhimurium LT2, the GNAT responsible for N(alpha)-acetylation of ribosomal protein S18. Protein Sci, 17, 1781-1790. https://doi.org/10.1110/ps.035899.108
  34. Vetting, M. W., Carvalho, L. P. S., Roderick, S. L., & Blanchard, J. S. (2005). A Novel Dimeric Structure of the RimL Nα-acetyltransferase from Salmonella typhimurium. J Biol Chem, 280, 22108-22114. https://doi.org/10.1074/jbc.M502401200 EDN: https://elibrary.ru/MINOZH
  35. Vetting, M. W., Carvalho, L. P. S., Yu, M., Hegde, S. S., Magnet, S., Roderick, S. L., & Blanchard, J. S. (2005). Structure and functions of the GNAT superfamily of acetyltransferases. Archives of Biochemistry and Biophysics, 433, 212-226. https://doi.org/10.1016/j.abb.2004.09.003
  36. White-Ziegler, C. A., Black, A. M., Eliades, S. H., Young, S., & Porter, K. (2002). The N-acetyltransferase RimJ responds to environmental stimuli to repress pap fimbrial transcription in Escherichia coli. J Bacteriol, 184, 4334-4342. https://doi.org/10.1128/JB.184.16.4334-4342.2002
  37. White-Ziegler, C. A., & Low, D. A. (1992). Thermoregulation of the pap operon: evidence for the involvement of RimJ, the N-terminal acetylase of ribosomal protein S5. J Bacteriol, 174, 7003-7012. https://doi.org/10.1128/jb.174.21.7003-7012.1992
  38. Yoshikawa, A., Isono, S., Sheback, A., & Isono, K. (1987). Cloning and nucleotide sequencing of the genes rimI and rimJ which encode enzymes acetylating ribosomal proteins S18 and S5 of Escherichia coli K12. Mol. Gen. Genet., 209, 481-488. https://doi.org/10.1007/BF00331153 EDN: https://elibrary.ru/SZGZVG

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

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».