Role of the RecA protein in the structuration and function of Salmonella enterica chemotaxis signalling complexes

Abstract

Salmonella enterica és un patogen entèric primari que infecta tant humans com animals i és la causa més freqüent de malalties transmeses per aliments. S. enterica es pot propagar a les persones a través d'aliments contaminats de granges, provocant símptomes com vòmits i diarrea, entre d'altres relacionats amb el sistema gàstric. A més a més, l'Organització Mundial de la Salut (OMS) considera aquests bacteris una alta prioritat, cosa que fa que aquesta espècie sigui important per estudiar. La quimiotaxi és la capacitat dels bacteris per orientar el seu moviment cap a gradients més favorables per a ells mateixos i està àmpliament distribuïda al domini Bacteria. A més, s'ha descrit que la quimiotaxi és important per a la colonització i la posterior infecció del teixit hoste per molts patògens. Per a la quimiotaxi es necessiten els complexos bàsics de senyalització de quimioreceptors, que estan formats per CheA, CheW i proteïnes de quimiotaxi acceptadores de metil (MCP, de l'anglès Methyl-accepting Chemotaxis Protein) i modulen la commutació de la rotació dels flagels bacterians que impulsa la motilitat cel·lular. Aquests complexos, mitjançant la formació d'anells heterohexamèrics compostos per CheA i CheW, formen grans agregacions als pols cel·lulars. Estudis anteriors van demostrar que RecA, la principal recombinasa bacteriana i l'activador del sistema SOS, té un paper clau en la formació de clúster polar, interactuant amb CheW i perjudicant el conjunt quan s'activa la resposta SOS. Els resultats que es presenten aquí demostren la interacció de la proteïna RecA-CheA. S'ha caracteritzat la interfície associada a aquesta interacció, revelant alguns dels residus essencials. D'una banda, els residus Ala214, Arg222, Asp224, Iso228, Val247 i Lys250 de RecA es troben implicats en la interacció de RecA amb CheA. D'altra banda, els residus Gly537, Lys590, Thr591, Ser628 i Ser646 del domini P5 de CheA estan implicats en la seva interacció amb RecA. Aquestes troballes assenyalen no només els contactes superficials de RecA amb CheA o CheW, sinó també amb ambdues proteïnes. La unió de RecA amb proteïnes CheA i CheW és necessària per a la formació d'agregats polar de tipus salvatge. A més, les imatges STED van demostrar que tots els components de la unitat central (CheA, CheW i MPC) tenen la mateixa ubicació subcel·lular que RecA: es distribueixen dins de la cèl·lula en lloc de romandre al pol cel·lular quan s'activa la resposta SOS. Els nostres models in silico van demostrar que una molècula RecA, connectada a una unitat de senyalització, encaixa dins d'un anell CheA-CheW sense interferir amb la formació complexa o el conjunt de matrius. Es proposa un model per a la interrupció de les matrius de quimioreceptors segons els resultats adquirits. L'activació de la resposta SOS va seguida d'un augment de RecA, que augmenta el nombre de complexos de senyalització associats a aquesta proteïna. Això suggereix la presència d'inhibició al·lostèrica en la interacció CheA-CheW i, per tant, de formació d'anells heterohexamèrics, perjudicant el conjunt de la matriu. Les interaccions CheA- i CheW-RecA també són crucials per a la quimiotaxi, que es manté quan s'indueix la resposta SOS i es dispersen les unitats de senyalització. Per concloure, els resultats del present treball proporcionen nous coneixements a nivell molecular sobre la funció de RecA en l'associació de quimioreceptors i la quimiotaxi, determinant que l'agrupament de quimioreceptors deteriorats no només inhibeix el moviment en eixam, sinó que també modula la quimiotaxi a les cèl·lules induïdes per SOS, modificant així la motilitat bacteriana en la presència de compostos perjudicials per a l'ADN, com els antibiòtics. Aquestes peculiars troballes del sistema quimiotàctic de S. enterica podrien donar lloc a noves dianes terapèutiques per al control d'aquest important patogen.

Salmonella enterica es un patógeno entérico primario que infecta tanto a humanos como animales y es la causa más frecuente de enfermedades transmitidas por alimentos. S. enterica puede propagarse a las personas a través de alimentos contaminados provenientes de granjas, provocando síntomas como vómitos y diarrea, entre otros relacionados con el sistema gástrico. Además, estas bacterias son consideradas de alta prioridad por la Organización Mundial de la Salud (OMS), por lo que es importante estudiar esta especie. La quimiotaxis es la capacidad de las bacterias para orientar su movimiento hacia gradientes más favorables para ellas y está ampliamente distribuida en el dominio Bacteria. Además, se ha descrito que la quimiotaxis es importante para la colonización y la subsiguiente infección en los tejidos del huésped por parte de muchos patógenos. Para la quimiotaxis se necesitan los complejos centrales de señalización de quimiorreceptores, que están formados por CheA, CheW y proteínas de quimiotaxis que aceptan metilo (MCP), y modulan el cambio de rotación de flagelos bacterianos que impulsa la motilidad celular. Estos complejos, a través de la formación de anillos heterohexaméricos compuestos por CheA y CheW, forman grandes grupos en los polos celulares. Estudios previos demostraron que RecA, la principal recombinasa bacteriana y el activador del sistema SOS, juega un papel clave en la formación de cúmulos polares, interactuando con CheW y perjudicando el ensamblaje cuando se activa la respuesta SOS. Los resultados presentados aquí demuestran la interacción de la proteína RecA-CheA. Se ha caracterizado la interfase asociada a esta interacción, revelando algunos de los residuos esenciales. Por un lado, los residuos Ala214, Arg222, Asp224, Iso228, Val247 y Lys250 de RecA están involucrados en dicha interacción. Por otro lado, los residuos Gly537, Lys590, Thr591, Ser628 y Ser646 del dominio P5 de CheA están implicados en su interacción con RecA. Estos hallazgos señalan no sólo los contactos superficiales de RecA con CheA o CheW, sino también con ambas proteínas. La unión de RecA con las proteínas CheA y CheW es necesaria para la formación de grupos polares de tipo salvaje. Además, las imágenes STED demuestran que todos los componentes de la unidad central (CheA, CheW y MPC) tienen la misma ubicación subcelular que RecA: distribuidos dentro de la célula en lugar de permanecer en el polo celular cuando se activa la respuesta SOS. Nuestros modelos in silico mostraron que una molécula de RecA, unida a una unidad de señalización, encaja dentro de un anillo CheA-CheW sin interferir con la formación del complejo o el ensamblaje de la matriz. Se propone un modelo para la disrupción de las matrices de quimiorreceptores de acuerdo con los resultados adquiridos. La activación de la respuesta SOS induce un aumento de RecA, lo que eleva el número de complejos de señalización asociados a esta proteína. Esto sugiere la presencia de inhibición alostérica en la interacción CheA-CheW y, por lo tanto, de formación de anillos heterohexaméricos, perjudicando así el ensamblaje de la matriz. Las interacciones CheA- y CheW-RecA también son cruciales para la quimiotaxis, que se mantiene cuando se induce la respuesta SOS y se dispersan las unidades de señalización. Para concluir, los resultados del presente trabajo brindan nuevos conocimientos a nivel molecular sobre la función de RecA en la asociación de quimiorreceptores y la quimiotaxis, lo que determina que el agrupamiento de quimiorreceptores alterado no sólo inhibe el movimiento en enjambre sino que también modula la quimiotaxis en las células inducidas por SOS, modificando así la motilidad bacteriana en el presencia de compuestos que dañan el ADN, como los antibióticos. Estos peculiares hallazgos del sistema quimiotáctico de S. enterica podrían dar lugar a nuevas dianas terapéuticas para el control de este importante patógeno.

Salmonella enterica is a primary enteric pathogen infecting both humans and animals and is the most frequently reported cause of foodborne illness. S. enterica can spread to people through contaminated food from farms, causing symptoms such as vomiting and diarrhea, among others related to the gastric system. Furthermore, these bacteria are considered a high priority by the World Health Organization (WHO), making this specie important to study. Chemotaxis is the ability of bacteria to orient their movement towards more favourable gradients for themselves and is widely distributed in the Bacteria domain. Furthermore, chemotaxis has been described to be important for colonization and subsequent infection in host tissues by many pathogens. For chemotaxis is needed the chemoreceptor signalling core complexes, which are built of CheA, CheW and methyl-accepting chemotaxis proteins (MCPs), and modulate the switching of bacterial flagella rotation that drives cell motility. These complexes, through the formation of heterohexameric rings composed of CheA and CheW, form large clusters at the cell poles. Previous studies demonstrated that RecA, the main bacterial recombinase and the activator of the SOS system, plays a key role in polar cluster formation, interacting with CheW and impairing the assembly when the SOS response is activated. The results presented herein demonstrate RecA-CheA protein interaction. The interface associated with this interaction has been characterized, revealing some of the essential residues. On one hand, the residues Ala214, Arg222, Asp224, Iso228, Val247 and Lys250 are involved in the interaction of RecA with CheA. On the other hand, residues Gly537, Lys590, Thr591, Ser628 and Ser646 from the P5-domain of CheA are implied in its interaction with RecA. These findings point out not only surface contacts of RecA with CheA or CheW but also with both proteins. The binding of RecA with both CheA and CheW proteins is needed for wild-type polar cluster formation. In addition, STED imaging demonstrated that all core unit components (CheA, CheW, and MPCs) have the same subcellular location as RecA: distributed within the cell instead of remaining at the cell pole when SOS response is activated. Our in silico models showed that one RecA molecule, attached to one signalling unit, fits within a CheA-CheW ring without interfering with the complex formation or array assembly. A model for the chemoreceptor arrays disruption according to the acquired results is proposed. The activation of the SOS response is followed by an increase in RecA, which rises up the number of signalling complexes associated with this protein. This suggests the presence of allosteric inhibition in the CheA-CheW interaction and thus of heterohexameric ring formation, impairing the array assembly. CheA- and CheW-RecA interactions are also crucial for chemotaxis, which is maintained when the SOS response is induced and the signalling units are dispersed. To conclude, the results of the present work provide new molecular level insights into the function of RecA in chemoreceptor clustering and chemotaxis determining that the impaired chemoreceptor clustering not only inhibits swarming but also modulates chemotaxis in SOS-induced cells, thereby modifying bacterial motility in the presence of DNA-damaging compounds, such as antibiotics. These peculiar findings of the chemotactic system of S. enterica could give rise to new therapeutic targets for the control of this major pathogen.