MarR (multiple antibiotic resistance repressor) family proteins are bacterial repressors that regulate transcription in response to a wide range of chemical signals. Although specific features of MarR family function have been described, the role of atomic motions in MarRs remains unexplored thus limiting insights into the evolution of allostery in this ubiquitous family of repressors. Here, we provide the first experimental evidence that internal dynamics play a crucial functional role in MarR proteins. Streptococcus pneumoniae AdcR (adhesin-competence repressor) regulates ZnII homeostasis and ZnII functions as an allosteric activator of DNA binding. ZnII coordination triggers a transition from independent domains to a more compact structure. We identify residues that impact allosteric activation on the basis of ZnII-induced perturbations of atomic motions over a wide range of timescales. These findings reconcile the distinct allosteric mechanisms proposed for other MarRs and highlight the importance of conformational dynamics in biological regulation.

Streptococcus pneumoniae is a leading killer of infants and immunocompromised adults and has become increasingly resistant to major antibiotics. Therefore, the development of new antibiotic strategies is desperately needed. Targeting bacterial cell division is one such strategy, specifically targeting essential proteins for the synthesis and breakdown of peptidoglycan. One complex important to this process is FtsEX. FtsEX comprises an integral membrane protein (FtsX) and cytoplasmic ATPase (FtsE) that resembles an ATP-binding cassette (ABC) transporter. Here, we present NMR solution structural and crystallographic models of the large extracellular domain of FtsX, denoted ECL1. The structure of ECL1 reveals an upper extended β-hairpin and a lower α-helical lobe, each extending from a mixed α-β core. The helical lobe mediates a physical interaction with the peptidoglycan hydrolase PcsB, via the coiled-coil domain of PcsB (PcsB-CC). Characterization of S. pneumoniae D39 derived strains harboring mutations in the α-helical lobe shows that this subdomain is essential for cell viability and required for proper cell division of S. pneumoniae.

ABSTRACT Ergothioneine (ET) is the 2-thiourea derivative of trimethylhistidine that is biosynthesized only by select fungi and bacteria, notably Mycobacterium tuberculosis , and functions as a potent scavenger of reactive oxygen species. Although ET is obtained in the diet and accumulates in vertebrate cells via an ET-specific transporter, the extent to which ET broadly functions in bacterial cells unable to synthesize it is unknown. Here we show that spd_1642-1643 in Streptococcus pneumoniae D39, a Gram-positive respiratory pathogen, encodes a novel ergothioneine uptake ATP-binding cassette (ABC) transporter, which we designate EgtUV. EgtU is a permease-solute binding domain (SBD) fusion protein, and the SBD binds ET with high affinity and exquisite specificity in the cleft between the two subdomains, with cation-π interactions engaging the betaine moiety and a water-mediated hydrogen bonding network surrounding the C2-sulfur-containing imidazole ring. Bioinformatics studies reveal that EgtUV is uniquely strongly conserved among known quaternary amine-specific transporters and widely distributed in firmicutes, including the human pathogens Listeria monocytogenes , as BilEB, Enterococcus faecalis and Staphylococcus aureus . This discovery significantly diversifies the LMW thiol pool in Gram-positive human pathogens that may contribute to antioxidant defenses in the infected host.

Abstract CstR is a persulfide-sensing member of the functionally diverse copper-sensitive operon repressor (CsoR) superfamily that regulates the bacterial response to hydrogen sulfide (H 2 S) and more oxidized reactive sulfur species (RSS) in Gram-positive pathogens. A cysteine thiol pair on CstR reacts with RSS to form a mixture of interprotomer di-, tri- and tetrasulfide crosslinks, which drives transcriptional derepression of CstR-regulated genes. In some bacteria, notably methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), CstR and CsoR, a Cu(I)-sensor, exhibit no regulatory crosstalk in cells, despite maintaining an identical pair of cysteines. We report a sequence similarity network (SSN) analysis of the entire CsoR superfamily, together with the first crystallographic structure of a CstR protein and mass spectrometry-based kinetic profiling experiments to obtain new insights into the molecular basis of RSS specificity in CstRs. The more N-terminal cysteine is the attacking Cys in CstR and is far more nucleophilic than in a CsoR. This cysteine, C30 in Sp CstR, is separated from the resolving thiol, C59’, by an Asn55’ wedge. Chemical reactivity experiments reveal a striking asymmetry of reactivity, preserved in all CstRs and with all oxidants tested; however, the distribution of crosslinked products varies markedly among CstRs. Substitution of N55 with Ala in Sp CstR significantly impacts the distribution of species, despite adopting the same structure as the parent repressor. We show that CstRs react with hydrogen peroxide, a finding that contrasts sharply with other structurally distinct persulfide sensors from Gram-negative bacteria. This suggests that other factors may enhance the specificity and repressor activity of CstRs in cells.