Abstract Purines and their derivatives are key molecules for controlling intracellular energy homeostasis and nucleotide synthesis. In eukaryotes, including humans, purines also act as signaling molecules that mediate extracellular communication and control key cellular processes, such as proliferation, migration, differentiation, and apoptosis. However, the signaling role of purines in bacteria is largely unknown. Here, by combining structural and sequence information, we define a purine-binding motif, which is present in sensor domains of thousands of bacterial receptors that modulate motility, gene expression, metabolism and second messenger turnover. The screening of compound libraries and microcalorimetric titrations of selected sensor domains validated their ability to specifically bind purine derivatives. The physiological relevance of purine sensing was demonstrated in a second messenger signaling system that modulates c-di-GMP levels.

ABSTRACT The communication between plants and their microbiota is highly dynamic and involves a complex network of signal molecules. Among them, the auxin indole-3-acetic acid (IAA) is a critical phytohormone that not only regulates plant growth and development, but is emerging as an important inter- and intra-kingdom signal that modulates many bacterial processes that are important during interaction with their plant hosts. However, the corresponding signaling cascades remain largely unknown. Here, we advance our understanding of the largely unknown mechanisms by which IAA carries out its regulatory functions in plant-associated bacteria. We showed that IAA caused important changes in the global transcriptome of the rhizobacterium Serratia plymuthica and multidisciplinary approaches revealed that IAA sensing interferes with the signaling mediated by other pivotal plant-derived signals such as amino acids and 4-hydroxybenzoic acid. Exposure to IAA caused large alterations in the transcript levels of genes involved in amino acid metabolism, resulting in significant metabolic alterations. IAA treatment also increased resistance to toxic aromatic compounds through the induction of the AaeXAB pump, which also confers resistance to IAA. Furthermore, IAA promoted motility and severely inhibited biofilm formation; phenotypes that were associated with decreased c-di-GMP levels and capsule production. IAA increased capsule gene expression and enhanced bacterial sensitivity to a capsule-dependent phage. Additionally, IAA induced the expression of several genes involved in antibiotic resistance and led to changes in the susceptibility and responses to antibiotics with different mechanisms of action. Collectively, our study illustrates the complexity of IAA-mediated signaling in plant-associated bacteria. IMPORTANCE Signal sensing plays an important role in bacterial adaptation to ecological niches and hosts. This communication appears to be particularly important in plant-associated bacteria since they possess a large number of signal transduction systems that respond to a wide diversity of chemical, physical, and biological stimuli. IAA is emerging as a key inter- and intra-kingdom signal molecule that regulates a variety of bacterial processes. However, despite the extensive knowledge of the IAA-mediated regulatory mechanisms in plants, IAA signaling in bacteria remains largely unknown. Here, we provide insight into the diversity of mechanisms by which IAA regulates primary and secondary metabolism, biofilm formation, motility, antibiotic susceptibility, and phage sensitivity in a biocontrol rhizobacterium. This work has important implications for our understanding of bacterial ecology in plant environments and for the biotechnological and clinical applications of IAA, as well as related molecules.

Abstract Purines and their derivatives control intracellular energy homeostasis and nucleotide synthesis, and act as signaling molecules. Here, we combine structural and sequence information to define a purine-binding motif that is present in sensor domains of thousands of bacterial receptors that modulate motility, gene expression, metabolism, and second-messenger turnover. Microcalorimetric titrations of selected sensor domains validate their ability to specifically bind purine derivatives, and evolutionary analyses indicate that purine sensors share a common ancestor with amino-acid receptors. Furthermore, we provide experimental evidence of physiological relevance of purine sensing in a second-messenger signaling system that modulates c-di-GMP levels.

ABSTRACT Many chemoreceptors contain a C‐terminal pentapeptide at the end of a linker. In Escherichia coli , this pentapeptide forms a high‐affinity binding site for CheR and phosphorylated CheB, and its removal interferes with chemoreceptor adaptation. Analysis of chemoreceptors revealed significant variation in their pentapeptide sequences, and bacteria often possess multiple chemoreceptors with differing pentapeptides. To assess whether this sequence variation alters CheR affinity and chemotaxis, we used Pectobacterium atrosepticum SCRI1043 as a model. SCRI1043 has 36 chemoreceptors, with 19 of them containing a C‐terminal pentapeptide. We show that the affinity of CheR for the different pentapeptides varies up to 11‐fold ( K D 90 nM to 1 μM). Pentapeptides with the highest and lowest affinities differ only in a single amino acid. Deletion of the cheR gene abolishes chemotaxis. The replacement of the pentapeptide in the PacC chemoreceptor with those of the highest and lowest affinities significantly reduced chemotaxis to its cognate chemoeffector, L‐Asp. Altering the PacC pentapeptide also reduced chemotaxis to L‐Ser, but not to nitrate, which are responses mediated by the nontethered PacB and PacN chemoreceptors, respectively. Changes in the pentapeptide sequence thus modulate the response of the cognate receptor and that of another chemoreceptor.

Summary The capacity of chemotaxis pathways to respond to signal gradients relies on adaptation mediated by the coordinated action of CheR methyltransferases and CheB methylesterases. Many chemoreceptors contain a C-terminal pentapeptide at the end of a linker. In Escherichia coli, this pentapeptide forms a high-affinity binding site for CheR and phosphorylated CheB, and its removal interferes with adaptation. The analysis of all available chemoreceptor sequences showed that pentapeptide sequences vary greatly, and bacteria often possess multiple chemoreceptors that differ in their pentapeptide sequences. Using the phytopathogen Pectobacterium atrosepticum SCRI1043, we assessed whether this sequence variation alters CheR affinity and chemotaxis. SCRI1043 has 36 chemoreceptors, of which 19 possess a C-terminal pentapeptide. Using isothermal titration calorimetry, we show that the affinity of CheR for the different pentapeptides varies up to 11-fold ( K D of 90 nM to 1 µM). The pentapeptides with the highest and lowest affinities differed only in a single amino acid. Deletion of the cheR gene abolishes chemotaxis. PacC is the sole chemoreceptor for L-Asp in SCRI1043, and the replacement of its pentapeptide with those having the highest and lowest affinities significantly interfered with L-Asp chemotaxis. Variable pentapeptide sequences thus provide a mechanism to bias the responses mediated by chemoreceptors.

Abstract Bacterial receptors feed into multiple signal transduction pathways that regulate a variety of cellular processes including gene expression, second messenger levels and motility. Receptors are typically activated by signal binding to ligand binding domains (LBD). Cache domains are omnipresent LBDs found in bacteria, archaea, and eukaryotes, including humans. They form the predominant family of extracytosolic bacterial LBDs and were identified in all major receptor types. Cache domains are composed of either a single (sCache) or a double (dCache) structural module. The functional relevance of bimodular LBDs remains poorly understood. Here, we identify the PacF chemoreceptor in the phytopathogen Pectobacterium atrosepticum that recognizes formate at the membrane distal module of its dCache domain, triggering chemoattraction. We further demonstrate that a family of formate-specific sCache domains has evolved from a dCache domain, exemplified by PacF, by losing the membrane proximal module. By solving high-resolution structures of two family members in complex with formate, we show that the molecular basis for formate binding at sCache and dCache domains is highly similar, despite their low sequence identity. The apparent loss of the membrane proximal module may be related to the observation that dCache domains bind ligands typically at the membrane distal module, whereas the membrane proximal module is not involved in signal sensing. This work advances our understanding of signal sensing in bacterial receptors and suggests that evolution by reducing complexity may be a common trend shaping their diversity. Significance Many bacterial receptors contain multi-modular sensing domains indicative of complex sensory processes. The presence of more than one sensing module likely permits the integration of multiple signals, although, the molecular detail and functional relevance for these complex sensors remain poorly understood. Bimodular sensory domains are likely to have arisen from the fusion or duplication of monomodular domains. Evolution by increasing complexity is generally believed to be a dominant force. Here we reveal the opposite – how a monomodular sensing domain has evolved from a bimodular one. Our findings will thus motivate research to establish whether evolution by decreasing complexity is typical of other sensory domains.

Abstract The chemotaxis network, one of the most prominent prokaryotic sensory systems, is present in most motile bacteria and archaea. Although the conserved signaling core of the network is well characterized, ligand specificities of a large majority of diverse chemoreceptors encoded in bacterial genomes remain unknown. Here we performed a systematic identification and characterization of new chemoeffectors for the opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa , which has 26 chemoreceptors possessing most of the common types of ligand binding domains. By performing capillary chemotaxis assays for a library of growth-promoting compounds, we first identified a number of novel chemoattractants of varying strength. We subsequently mapped specificities of these ligands by performing Förster resonance energy transfer (FRET) and microfluidic measurements for hybrids containing ligand binding domains of P. aeruginosa chemoreceptors and the signaling domain of the Escherichia coli Tar receptor. Direct binding of ligands to chemoreceptors was further confirmed in vitro using thermal shift assay and microcalorimetry. Altogether, the combination of methods enabled us to assign several new attractants, including methyl 4-aminobutyrate, 5-aminovalerate, L-ornithine, 2-phenylethylamine and tyramine, to previously characterized chemoreceptors and to annotate a novel purine-specific receptor PctP. Our screening strategy could be applied for the systematic characterization of unknown sensory domains in a wide range of bacterial species. Importance Chemotaxis of motile bacteria has multiple physiological functions. It enables bacteria to locate optimal ecological niches, mediates collective behaviors, and can play an important role in infection. These multiple functions largely depend on ligand specificities of chemoreceptors, and the number and identities of chemoreceptors show high diversity between organisms. Similar diversity is observed for the spectra of chemoeffectors, which include not only chemicals of high metabolic value but also bacterial, plant and animal signaling molecules. However, the systematic identification of chemoeffectors and their mapping to specific chemoreceptors remains a challenge. Here, we combined several in vivo and in vitro approaches to establish a systematic screening strategy for the identification of receptor ligands, and we applied it to identify a number of new physiologically relevant chemoeffectors for the important opportunistic human pathogen P. aeruginosa . This strategy can be equally applicable to map specificities of sensory domains from a wide variety of receptor types and bacteria.

ABSTRACT Amino acids are recognized as signals by various receptors in bacteria, archaea, and eukaryotes. However, no common mechanism for amino acid recognition is currently known. Here we show that a subclass of a ubiquitous extracellular domain dCache_1 contains a simple amino acid recognition motif, and it is found throughout the Tree of Life. In bacteria, this motif exclusively binds amino acids, including GABA, and it is present in all major receptor types. In humans, this motif is found in α2δ subunits of voltage-gated calcium channels that are implicated in neuropathic pain and neurodevelopmental disorders. Our findings suggest that GABA-derived drugs bind to the same motif in human α2δ subunits that binds natural GABA ligands in bacterial chemoreceptors.