Mechanism of promoter recognition and transcription regulation by the sigma S subunit of Escherichia coli RNA polymerase

Field: Biochemistry, Genetics and Molecular Biology (Life Sciences)

In nature, bacteria have to deal with changing growth environments and must face a long periods without substrates. As a result, cells remain over long periods of time in stationary phase physiology, living on limited nutrient resources and often accumulating toxic metabolites. Several “survival” genes of stationary phase physiology can be induced for adaptation or maintenance, among them rpoS. The rpoS gene encodes the σS protein, an alternative sigma subunit of RNA polymerase widely conserved at least among gamma proteobacteria. The sigma subunits allow RNA polymerase (RNAP) recognition of specific sets of promoters. σS controls many stress responses, including adaptation to starvation, osmotic challenge, DNA repair and production of extracellular structures important for adhesion and virulence behaviours. However, despite its key role in the regulation of a broad number of genes, little is known about the mechanism of promoter recognition and transcription initiation by σS-RNA polymerase (EσS) or about promoter sequence determinants for σS recognition. Indeed, the consensus sequence CTATACT proposed for σS-dependent genes in Escherichia coli, does not strongly differ from the optimal recognition sequence TATAAT for the vegetative sigma factor σ70, responsible of the expression of essential genes. Thus, the C nucleotide (–13C) placed immediately upstream of the consensus hexamer (TATACT) for the –10 promoter element is the only sequence feature specific for promoter recognition by EσS. In addition to the –13C feature, there is evidence that promoter recognition by either Eσ70 or EσS can be modulated by factors other than DNA sequence (e.g. DNA curvature, additional DNA-binding proteins). [...]
Dans leurs habitats naturels, les bactéries doivent s’adapter à des conditions environnementales extrêmes et affronter de longues périodes sans substrat nutritif. Face à de telles conditions, les cellules bactériennes développent une réponse physiologique leur permettant de demeurer pour de longues périodes en état stationnaire de croissance. Elles peuvent ainsi s’accommoder de ressources énergétiques limitantes et se défendre de produits toxiques issus de leur propre métabolisme. Ces capacités d’adaptation et de maintenance sont dues à l’induction de plusieurs gènes de survie dont le gène rpoS. Ce gène code une protéine régulatrice dénommée σS qui correspond à une sous unité alternative de l’ARN polymérase très conservée au moins parmi les proteobactéries de type γ. Les sous unités σ assistent l’ARN polymérase (ARNP) pour la reconnaissance d’une série de gènes bien définie. Par ce biais, σS contrôle tout ou partie de la réponse à de nombreux stress comme les carences nutritionnelles, les chocs osmotiques, les processus de réparation de l’ADN ainsi que l’expression de structures extracellulaires d’adhésion et de virulence. Bien qu’il régule une grande variété de gènes, aucun élément de reconnaissance discriminative des promoteurs n’a été identifié pour σS et peu d’informations sont disponibles sur le processus d’initiation de la transcription par l’ARN polymérase associée au facteur σS (holoenzyme EσS). De plus, la séquence consensus CTATACT, proposée pour les promoteurs de gènes d’Escherichia coli dépendants de σS, diffère très peu du motif optimal TATAAT reconnu par le facteur sigma végétatif (σ70) contrôlant l’expression des gènes vitaux. Ainsi, le nucléotide –13C, qui précède la séquence consensus TATACT, centrée en position –10 par rapport au site d’initiation de la transcription, est l’unique élément susceptible de déterminer la reconnaissance spécifique par l’holoenzyme EσS. De plus, de nombreuses études ont montrées que la reconnaissance sélective des promoteurs par l’une des deux formes de polymérases, EσS ou Eσ70, pouvait être modulée par des facteurs autres que la séquence en nucléotides du promoteur, notamment courbure de l’ADN et présence de protéines se liant à l’ADN. [...]