There has been an increasing interest in cyanobacteria because these photosynthetic organisms convert solar energy into biomass and because of their potential for the production of biofuels. However, the exploitation of cyanobacteria for bioengineering requires knowledge of their transcriptional organization. Using differential RNA sequencing, we have established a genome-wide map of 3,527 transcriptional start sites (TSS) of the model organism Synechocystis sp. PCC6803. One-third of all TSS were located upstream of an annotated gene; another third were on the reverse complementary strand of 866 genes, suggesting massive antisense transcription. Orphan TSS located in intergenic regions led us to predict 314 noncoding RNAs (ncRNAs). Complementary microarray-based RNA profiling verified a high number of noncoding transcripts and identified strong ncRNA regulations. Thus, ∼64% of all TSS give rise to antisense or ncRNAs in a genome that is to 87% protein coding. Our data enhance the information on promoters by a factor of 40, suggest the existence of additional small peptide-encoding mRNAs, and provide corrected 5′ annotations for many genes of this cyanobacterium. The global TSS map will facilitate the use of Synechocystis sp. PCC6803 as a model organism for further research on photosynthesis and energy research.

CopraRNA (Comparative prediction algorithm for small RNA targets) is the most recent asset to the Freiburg RNA Tools webserver. It incorporates and extends the functionality of the existing tool IntaRNA (Interacting RNAs) in order to predict targets, interaction domains and consequently the regulatory networks of bacterial small RNA molecules. The CopraRNA prediction results are accompanied by extensive postprocessing methods such as functional enrichment analysis and visualization of interacting regions. Here, we introduce the functionality of the CopraRNA and IntaRNA webservers and give detailed explanations on their postprocessing functionalities. Both tools are freely accessible at http://rna.informatik.uni-freiburg.de.

Abstract Endoribonucleases govern the maturation and degradation of RNA and are indispensable in the posttranscriptional regulation of gene expression. A key endoribonuclease in many bacteria is RNase E. To ensure an appropriate supply of RNase E, some bacteria, such as E. coli, have evolved tightly functioning feedback regulation of RNase E that is mediated in cis by the rne 5′-untranslated region (5′ UTR); however, the mechanisms involved in the control of RNase E in other bacteria largely remain unknown. Cyanobacteria rely on solar light as an energy source for photosynthesis, despite the inherent ultraviolet (UV) irradiation. Here, we investigated the global gene expression response in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 after exposure to UV light and discovered a unique response of RNase E: a rapidly increasing enzymatic activity, although the stability of the protein was decreased. In parallel, we observed an increased accumulation of full-length rne mRNA that was caused by the stabilization of its 5′ UTR and suppression of premature transcriptional termination but not by an increased transcription rate. Mapping of RNA 3′ ends and in vitro cleavage assays revealed that RNase E cleaves within a stretch of six consecutive uridine residues within the rne 5′ UTR, indicating autoregulation via its own 5′ UTR. These observations imply that RNase E in cyanobacteria contributes substantially to reshaping the transcriptome during the UV stress response and that its required activity level is maintained despite enhanced turnover of the protein by posttranscriptional feedback regulation.

All organisms must respond to environmental changes. In bacteria, small RNAs (sRNAs) are an important aspect of the regulation network underlying the adaptation to such changes. sRNAs base-pair with their target mRNAs, allowing rapid modulation of the proteome. This post-transcriptional regulation is usually facilitated by RNA chaperones, such as Hfq. sRNAs have a potential as synthetic regulators that can be modulated by rational design. In this study, we use a library-based approach and an oxacillin susceptibility assays to investigate the importance of the seed region length for synthetic sRNAs based on RybB and SgrS scaffolds in Escherichia coli. In the presence of Hfq we show that 12 nucleotides are sufficient for regulation. Furthermore, we observe a scaffold-specific Hfq-dependency and processing by RNase E. Our results provide information for design considerations of synthetic sRNAs in basic and applied research.

The transcription factor RpaB regulates the expression of genes encoding photosynthesis-associated proteins during light acclimation. The binding site of RpaB is the HLR1 motif, a pair of imperfect octameric direct repeats, separated by two random nucleotides. Here, we used high-resolution mapping data of transcriptional start sites (TSSs) in the model Synechocystis sp. PCC 6803 in conjunction with the positional distribution of HLR1 sites for the global prediction of the RpaB regulon. The results demonstrate that RpaB regulates the expression of more than 150 promoters, driving the transcription of protein-coding and non-coding genes and antisense transcripts under low light and upon the shift to high light when DNA binding activity is lost. Transcriptional activation by RpaB is achieved when the HLR1 motif is located 66 to 45 nt upstream, repression occurs when it is close to or overlapping the TSS. Selected examples were validated by multiple experimental approaches, including chromatin affinity purification, reporter gene, northern hybridization and electrophoretic mobility shift assays. We found that RpaB controls ssr2016/pgr5, which is involved in cyclic electron flow and state transitions; six out of nine ferredoxins; three of four FtsH proteases; gcvP/slr0293, encoding a crucial photorespiratory protein; and nirA and isiA for which we suggest cross-regulation with the transcription factors NtcA or FurA, respectively. In addition to photosynthetic gene functions, RpaB contributes to the control of genes affiliated with nitrogen assimilation, cofactor biosyntheses, the CRISPR system and the circadian clock, making it one of the most versatile regulators in cyanobacteria.

Abstract Throughout the tree of life RNA-binding proteins play important roles, but they are poorly characterized in cyanobacteria. Structural prediction suggests an RNA-binding interface for the protein YlxR/Ssr1238 in the cyanobacterium Synechocystis 6803. Two pairs of cysteine residues are arranged as possibly coordinating an Fe-S cluster and appear widely conserved in the homologous proteins of other cyanobacteria. Overexpression of Ssr1238 for 24 h led to higher levels of RNase P RNA, tRNAs, and stress-related mRNAs. Co-immunoprecipitation of proteins followed by MS analysis and sequencing of UV crosslinked, co-immunoprecipitated RNA samples identified potential interaction partners of Ssr1238. The most enriched transcript was RNase P RNA, and RnpA, the protein component of RNase P, was among the most highly enriched proteins. A second highly enriched transcript derived from gene ssl3177 , which encodes a central enzyme in cell wall remodeling during cell division. The data also showed a strong connection to the RNA maturation and modification system indicated by co-precipitation of RNA modifying enzymes, riboendonuclease E and enolase. Surprisingly, cyanophycin synthetase and urease were highly enriched as well. In conclusion, Ssr1238 specifically binds to two different transcripts and participates in the coordination of RNA maturation, translation, cell division, and aspects of nitrogen metabolism. Our results are consistent with recent findings that the B. subtilis YlxR protein functions as an RNase P modulator (RnpM), but suggest additional functionalities and extend its proposed role to the phylum cyanobacteria.

ABSTRACT F 0 F 1 ATP synthases produce ATP, the universal biological energy source. ATP synthase complexes on cyanobacterial thylakoid membranes use proton gradients generated either by photosynthesis or respiration. AtpΘ is an ATP synthase regulator in cyanobacteria which is encoded by the gene atpT . AtpΘ inhibits the hydrolysis of ATP (reverse reaction) that otherwise would occur under unfavorable conditions. In the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803, AtpΘ is expressed maximum in darkness but at very low levels under optimum phototrophic growth conditions or in the presence of glucose. DNA coimmunoprecipitation experiments followed by mass spectrometry identified the binding of the two transcriptional regulators cyAbrB1 and cyAbrB2 to the promoter and the histone-like protein HU to the 5’UTR of atpT . Analyses of nucleotide substitutions in the promoter and GFP reporter assays identified a functionally relevant sequence motif resembling the HLR1 element bound by the RpaB transcription factor. Electrophoretic mobility shift assays confirmed interaction of cyAbrB1, cyAbrB2 and RpaB with the promoter DNA. However, overall the effect of transcriptional regulation was comparatively low. In contrast, atpT transcript stabilities differed dramatically, half-lives were 1.6 min in the light, 33 min in the dark and substantial changes were observed if glucose or DCMU were added. These findings show that basic transcriptional control of atpT involves nucleoid-associated DNA-binding proteins, positive regulation through RpaB, while the major effect on the condition-dependent regulation of atpT expression is mediated by controlling mRNA stability, which is related to the cellular redox and energy status. IMPORTANCE F 0 F 1 ATP synthases are protein complexes that produce ATP, the universal biological energy source in all kinds of organisms. Under unfavorable conditions, ATP synthases can operate in a futile reverse reaction, pumping protons while ATP is used up. Cyanobacteria perform plant-like photosynthesis but they cannot use the same mechanism as plants that inhibit chloroplast ATP synthases entirely during the night because respiratory and photosynthetic complexes are both located in the same membrane system. AtpΘ is a small peptide inhibitor of the reverse ATPase function in cyanobacteria encoded by the gene atpT . The production of AtpΘ is highly regulated to ensure that it is only synthetized when it is needed. In the here presented work we found that three transcription factors contribute to the regulation of atpT expression. However, we identified the control of mRNA stability as the major regulatory process governing atpT expression. Thus, it is the interplay between transcriptional and posttranscriptional regulation that position the AtpΘ-based inhibitory mechanism within the context of the cellular redox and energy balance.

Maintaining manganese and iron homeostasis is critical for the human pathogen Staphylococcus aureus. To counteract metal-based host defense strategies (e.g., nutritional immunity, metal poisoning), S. aureus uses a combination of metal-sensing transcription factors and regulatory RNAs to maintain metal homeostasis. In this study, we uncovered an unprecedented interaction between a cis- and a trans-acting regulatory RNA controlling a conditionally essential gene, mntY, encoding a Mn efflux pump. This broadly conserved RNA-RNA interaction between a Fe-responsive sRNA and a Mn-sensing riboswitch allows the integration of Fe- and Mn-related stresses, notably encountered at the infection site, to fine-tune mntY expression. Remarkably, deletion of the mntY gene is strongly pleomorphic, causing growth defects, altering virulence factor expression, immune evasion, and survival during infection. We demonstrated that MntY is critical for the adaptation of S. aureus to both low and high Mn environments, due to its dual role in metalation of Mn-dependent exoenzymes and Mn detoxification. These findings point to MntY as a promising new therapeutic target to combat multidrug-resistant staphylococcal infections.

All organisms must respond to environmental changes. In bacteria, small RNAs (sRNAs) are an important aspect of the regulation network underlying the adaptation to such changes. sRNAs base-pair with their target mRNAs, allowing rapid modulation of the proteome. This post-transcriptional regulation is usually facilitated by RNA chaperones, such as Hfq. sRNAs have a potential as synthetic regulators that can be modulated by rational design. In this study, we use a library-based approach and oxacillin susceptibility assays to investigate the importance of the seed region length for synthetic sRNAs based on RybB and SgrS scaffolds in

By interfering with cell division, the Escherichia coli oxidative stress-induced OxyS small RNA brings about cell cycle arrest thus allowing DNA damage repair. Cell division and cell elongation are opposing functions to the extent that inhibition of cell division requires a parallel inhibition of cell elongation for the cells to survive. In this study, we report that in addition to cell division OxyS inhibits mepS encoding an essential peptidoglycan endopeptidase responsible for cell elongation. Furthermore, a phylogenetic evolutionary target conservation analysis of OxyS homologs to identify OxyS most common function revealed that the majority of OxyS targets belong to the category of cell cycle followed by peptidoglycan metabolism, especially cell elongation. mepS is the most frequent target of this category, predicted to be regulated by OxyS in 64 % of the 146 organisms studied. We suggest that cell cycle arrest and balancing between cell division and cell elongation are important and conserved functions of the oxidative stress induced sRNA OxyS.