Outside In Acquisition and analysis of large data sets promises to move us toward a greater understanding of the mechanisms by which biological systems are dynamically regulated to respond to external cues. Now, two papers explore the responses of a bacterium to changing nutritional conditions (see the Perspective by Chalancon et al. ). Nicolas et al. (p. 1103 ) measured transcriptional regulation for more than 100 different conditions. Greater amounts of antisense RNA were generated than expected and appeared to be produced by alternative RNA polymerase targeting subunits called sigma factors. One transition, from malate to glucose as the primary nutrient, was studied in more detail by Buescher et al. (p. 1099 ) who monitored RNA abundance, promoter activity in live cells, protein abundance, and absolute concentrations of intracellular and extracellular metabolites. In this case, the bacteria responded rapidly and largely without transcriptional changes to life on malate, but only slowly adapted to use glucose, a shift that required changes in nearly half the transcription network. These data offer an initial understanding of why certain regulatory strategies may be favored during evolution of dynamic control systems.

Adaptation of cells to environmental changes requires dynamic interactions between metabolic and regulatory networks, but studies typically address only one or a few layers of regulation. For nutritional shifts between two preferred carbon sources of Bacillus subtilis, we combined statistical and model-based data analyses of dynamic transcript, protein, and metabolite abundances and promoter activities. Adaptation to malate was rapid and primarily controlled posttranscriptionally compared with the slow, mainly transcriptionally controlled adaptation to glucose that entailed nearly half of the known transcription regulation network. Interactions across multiple levels of regulation were involved in adaptive changes that could also be achieved by controlling single genes. Our analysis suggests that global trade-offs and evolutionary constraints provide incentives to favor complex control programs.

Summary The low G+C Gram positive bacteria represent some of the most medically and industrially important microorganisms. They are relied on for the production of food and dietary supplements, enzymes and antibiotics, as well as being responsible for the majority of nosocomial infections and serving as a reservoir for antibiotic resistance. Control of gene expression in this group is more highly studied than in any bacteria other than the Gram negative model Escherichia coli , yet until recently no structural information on RNA polymerase (RNAP) from this group was available. This review will summarise recent reports on the high resolution structure of RNAP from the model low G+C representative Bacillus subtilis , including the role of auxiliary subunits δ and ε, and outline approaches for the development of antimicrobials to target RNAP from this group.

Abstract Ring-shaped DNA sliding clamps are essential for DNA replication and genome maintenance. Clamps need to be opened or trapped open and chaperoned onto DNA by clamp loader complexes (CLCs). Detailed understanding of the mechanisms by which CLCs open and place clamps around DNA remains limited. Here, we present a series of six structures of the Escherichia coli CLC bound to an open or closed clamp on and off a primer-template DNA that represent all intermediates in the clamp loading process. We show that the ATP-bound CLC first binds to a clamp, then constricts to hold onto it. The CLC then expands to open the clamp with a gap large enough for double-stranded DNA to enter. Upon binding to DNA, the CLC constricts slightly, allowing ATP hydrolysis and clamp closing around DNA. Although both yeast and E. coli CLCs open clamps by crab claw-like motions, they do it by the CLC expanding in opposite directions. These structures provide critical high-resolution snapshots of clamp loading by the E. coli CLC, revealing how the molecular machine works.

ABSTRACT Elongation by RNA polymerase is dynamically modulated by accessory factors. The transcription-repair coupling factor (TRCF) recognizes distressed RNAPs and either rescues transcription or initiates transcription termination. Precisely how TRCFs choose to execute either outcome remains unclear. With Escherichia coli as a model, we used single-molecule assays to study dynamic modulation of elongation by Mfd, the bacterial TRCF. We found that nucleotide-bound Mfd converts the elongation complex (EC) into a catalytically poised state, presenting the EC with an opportunity to restart transcription. After long-lived residence in this catalytically poised state, ATP hydrolysis by Mfd remodels the EC through an irreversible process leading to loss of the RNA transcript. Further, biophysical studies revealed that the motor domain of Mfd binds and partially melts DNA containing a template strand overhang. The results explain pathway choice determining the fate of the EC and provide a molecular mechanism for transcription modulation by TRCF.

Abstract After ejaculation, mammalian spermatozoa must undergo a process known as capacitation in order to successfully fertilize the oocyte. Several post-translational modifications occur during capacitation, including sialylation, which despite being limited to a few proteins, seems to be essential for proper sperm-oocyte interaction. Regardless of its importance, to date, no single study has ever identified nor quantified which glycoproteins bearing terminal sialic acid (Sia) are altered during capacitation. Here we characterize sialylation during mouse sperm capacitation. Using tandem mass spectrometry coupled with liquid chromatography (LC-MS/MS), we found 142 non-reductant peptides, with 9 of them showing potential modifications on their sialylated oligosaccharides during capacitation. As such, N-linked sialoglycopeptides from C4b-binding protein, endothelial lipase (EL), serine proteases 39 and 52, testis-expressed protein 101 and zonadhesin were reduced following capacitation. In contrast, mitochondrial aconitate hydratase (aconitase; ACO2) was the only protein to show an increase in Sia content during capacitation. Interestingly, while the loss of Sia within EL (N62) was accompanied by a reduction in its phospholipase A 1 activity, the increase of sialylation in the ACO2 (N612) also resulted in a decrease of the activity of this TCA cycle enzyme. The latter was confirmed by N612D recombinant protein with both His and GFP tag, in which the N612D mutant had no activity compared to WT when protein. Computer modelling show that N612 sits atop the catalytic site of ACO2. The introduction of sialic acid causes a large confirmation change in the alpha helix, essentially, distorting the active site, leading to complete loss of function. These findings suggest that the switch from oxidative phosphorylation, over to glycolysis that occurs during capacitation may come about through sialylation of ACO2.

Identification of dynamic protein-protein interactions at the peptide level on a proteomic scale is a challenging approach that is still in its infancy. We have developed a system to cross-link cells directly in culture with the special lysine cross-linker bis(succinimidyl)-3-azidomethyl-glutarate (BAMG). We used the Gram positive model bacterium Bacillus subtilis as an exemplar system. Within 5 min extensive intracellular cross-linking was detected, while intracellular cross-linking in a Gram-negative species, Escherichia coli, was still undetectable after 30 min, in agreement with the low permeability in this organism for lipophilic compounds like BAMG. We were able to identify 82 unique inter-protein cross-linked peptides with less than a 1% false discovery rate by mass spectrometry and genome-wide data base searching. Nearly 60% of the inter-protein cross-links occur in assemblies involved in transcription and translation. Several of these interactions are new, and we identified a binding site between the δ and βʹ subunit of RNA polymerase close to the downstream DNA channel, providing a clue into how δ might regulate promoter selectivity and promote RNA polymerase recycling. Our methodology opens new avenues to investigate the functional dynamic organization of complex protein assemblies involved in bacterial growth.

SUMMARY Efficient control of transcription is essential in all organisms. In bacteria, where DNA replication and transcription occur simultaneously, the replication machinery is at risk of colliding with highly abundant transcription complexes. This can be exacerbated by the fact that transcription complexes pause frequently. When pauses are long-lasting, the stalled complexes must be removed to prevent collisions with either another transcription complex or the replication machinery. HelD is a protein that represents a new class of ATP-dependent motor protein distantly related to helicases. It was first identified in the model Gram-positive bacterium Bacillus subtilis and is involved in removing and recycling stalled transcription complexes. To date, two classes of HelD have been identified: one in the low G+C and the other in the high G+C Gram-positive bacteria. In this work we have undertaken the first comprehensive investigation of the phylogenetic diversity of HelD proteins. We show that genes in certain bacterial classes have been inherited by horizontal gene transfer, many organisms contain multiple expressed isoforms of HelD, some of which are associated with antibiotic resistance, and that there is a third class of HelD protein found in Gram-negative bacteria. Therefore, HelD proteins represent an important new class of transcription factor associated with genome maintenance and antibiotic resistance that are conserved across the Eubacterial kingdom.