А.С. Нагель1, И.С. Кульбаев2, Ж.И. Андреева-Ковалевская3, А.В. Сиунов4, А.П. Каратовская5, Н.В. Руденко6, А.С. Солонин7

1–4, 7 Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук
(ИБФМ РАН) – обособленное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований РАН (г. Пущино, Россия)

5, 6 Филиал Института биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН
(г. Пущино, Россия)

1 anagell@mail.ru, 2 islam.kulbaev@bk.ru, 3 hemolysin6@gmail.com, 4 av_siunov@rambler.ru, 5 annakaratovskaya@mail.ru, 6 nrudkova@mail.ru, 7 solonin@ibpm.pushchino.ru

Постановка проблемы. Одной из основных задач молекулярной биологии является исследование ДНК-белкового узнавания. Многие негативные транскрипционные регуляторы способны изменять эффективность узнавания операторного района в зависимости от связи с фактором индукции. Обнаружение и описание комплекса регуляторного белка, содержащего индуктор, позволяет определить природу лиганда.

Цель работы – создание системы экспрессии транскрипционных регуляторов в лиганд-связанном состоянии.

Результаты. Ранее продемонстрирована возможность индукции экспрессии гена гемолизина II Bacillus cereus (hlyII) в зависимости от состава культуральной среды. Присутствие плазмы крови в культуральной среде обеспечивает увеличение уровня экспрессии гена hlyII в десятки раз. Основным негативным регулятором транскрипции гена hlyII является белок HlyIIR, в пространственной структуре которого содержится потенциальная область связывания с лигандом, присутствие которого может приводить к изменению конформации регулятора. Предполагается, что конформационные изменения регулятора приводят к снижению уровня связывания с операторным районом. Обнаруженная область HlyIIR теоретически способна связываться со стероидами, входящими в состав плазмы крови. Предложена система экспрессии регуляторов транскрипции, в которой ген регулятора находится под контролем промоторно-операторной области контролируемого гена. Продемонстрировано использование данной системы для экспрессии HlyIIR в лиганд-связанном состоянии под контролем промотора контролируемого им гена hlyII Bacillus cereus.

Практическая значимость. Дальнейшее развитие системы позволяет разработать технологию накопления транскрипционных регуляторов в комплексе с лигандом, что сделает возможным определение их структуры с последующим применением в изучении биохимических процессов в бактериальной клетке.

Нагель А.С., Кульбаев И.С., Андреева-Ковалевская Ж.И., Сиунов А.В., Каратовская А.П., Руденко Н.В., Солонин А.С. Система экспрессии транскрипционных регуляторов в лиганд-связанном состоянии // Технологии живых систем. 2025. T. 22. № 4.
С. 76-85. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700997-202504-09

1. Browning D.F., Busby S.J.W. Local and global regulation of transcription initiation in bacteria // Nat Rev Microbiol. 2016. V. 14. № 10. P. 638–650.
2. Balleza E., López-Bojorquez L.N., Martínez-Antonio A. et al. Regulation by transcription factors in bacteria: beyond description // FEMS Microbiol Rev. 2009. V. 33. № 1. P. 133–151.
3. Lutz R., Bujard H. Independent and tight regulation of transcriptional units in Escherichia coli via the LacR/O, the TetR/O and AraC/I1-I2 regulatory elements // Nucleic Acids Res. 1997. V. 25. № 6. P. 1203–1210.
4. Ulrich L.E., Koonin E.V., Zhulin I.B. One-component systems dominate signal transduction in prokaryotes // Trends Microbiol. 2005. V. 13. № 2. P. 52–56.
5. Hinrichs W., Kisker C., Düvel M. et al. Structure of the Tet repressor-tetracycline complex and regulation of antibiotic resistance // Science. 1994. V. 264. № 5157. P. 418–420.
6. Cuthbertson L., Nodwell J.R. The TetR family of regulators // Microbiol. Mol. Biol. Rev. 2013. V. 77. № 3. P. 440–475.
7. Orth P., Schnappinger D., Hillen W. et al. Structural basis of gene regulation by the tetracycline inducible Tet repressor-operator system // Nat. Struct. Biol. 2000. V. 7. № 3. P. 215–219.
8. Aleksandrov A., Schuldt L., Hinrichs W., Simonson T. Tet repressor induction by tetracycline: a molecular dynamic, continuum electrostatics, and crystallographic study // J. Mol. Biol. 2008. V. 378. № 4. P. 898–912.
9. Baida G., Budarina Z.I., Kuzmin N.P., Solonin A.S. Complete nucleotide sequence and molecular characterization of hemolysin II gene from Bacillus cereus // FEMS Microbiol. Lett. 1999. V. 180. № 1. P. 7–14.
10. Budarina Z.I., Nikitin D.V., Zenkin N. et al. A new Bacillus cereus DNA-binding protein, HlyIIR, negatively regulates expression of B. cereus haemolysin II // Microbiology (Reading, Engl.). 2004. V. 150. № 11. P. 3691–3701.
11. Rodikova E.A., Kovalevskiy O.V., Mayorov S.G. et al. Two HlyIIR dimers bind to a long perfect inverted repeat in the operator of the hemolysin II gene from Bacillus cereus // FEBS Lett. 2007. V. 581. № 6. P. 1190–1196.
12. Ojanotko-Harri A., Nikkari T., Harri M.P., Paunio K.U. Metabolism of progesterone and testosterone by Bacillus cereus strain Socransky 67 and Streptococcus mutans strain Ingbritt // Oral Microbiol. Immunol. 1990. V. 5. № 4. P. 237–239.
13. Kovalevskiy O.V., Lebedev A.A., Surin A.K. et al. Crystal structure of Bacillus cereus HlyIIR, a transcriptional regulator of the gene for pore-forming toxin hemolysin II // J. Mol. Biol. 2007. V. 365. № 3. P. 825–834.
14. Андреева-Ковалевская Ж., Сиунов А., Бударина Ж. и др. Зависимость эффективности транскрипции гена гемолизина II Bacillus cereus от источника плазмы крови // Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова. Информационно-аналитический центр медико-социальных проблем. 2017. Т. 13. № 1. С. 5–12.
15. Werten S., Waack P., Palm G.J. et al. Crystal structures of free and ligand-bound forms of the TetR/AcrR-like regulator SCO3201 from Streptomyces coelicolor suggest a novel allosteric mechanism // FEBS J. 2023. V. 290. № 2. P. 521–532.
16. Slamti L., Lereclus D. Molecular docking and molecular dynamic simulations of apoptosis proteins with potential anticancer compounds present in Clinacanthus nutans extract using gas chromatography-mass spectrometry // J. Biomol. Struct. Dyn. 2023. V. 41. № 13. P. 6104–6120.
17. Нагель А.С., Андреева-Ковалевская Ж.И., Сиунов А.В., Солонин А.С. Челночная векторная плазмида с turbogfp в качестве репортерного гена для анализа промоторной активности в клетках E. coli и B. subtilis // Технологии живых систем. 2020.  Т. 17. № 4. С. 42–50.
18. Руденко Н.В., Каратовская А.П., Замятина А.В. и др. С-терминальный домен гемолитического токсина ii bacillus cereus способен взаимодействовать с эритроцитами // Биоорганическая химия. 2020. Т. 46. № 3. С. 280–285. DOI: 10.1134/S106816202003018819
19. Sineva E., Shadrin A., Rodikova E.A. et al. Iron Regulates Expression of Bacillus cereus Hemolysin II via Global Regulator Fur //  J. Bacteriol. 2012. V. 194. № 13. P. 3327–3335.
20. Rouches M.V., Xu Y., Cortes L.B.G., Lambert G. A plasmid system with tunable copy number // Nat. Commun. 2022. V. 13. № 1. P. 3908.
21. Park G., Yang J., Seo S.W. Dynamic control of the plasmid copy number maintained without antibiotics in Escherichia coli //  J. Biol. Eng. 2024. V. 18. № 1. P. 71.