Cysteine thiol-based transcriptional regulators orchestrate coordinated regulation of redox homeostasis and other cellular processes by sensing or detecting a specific redox-active molecule, which in turn activates the transcription of a specific detoxification pathway. The extent to which these sensors are truly specific in cells for a singular class of reactive small molecule stressors, e.g., reactive oxygen or sulfur species, is largely unknown. Here we report novel structural and mechanistic insights into a thiol-based transcriptional repressor SqrR, that reacts exclusively with organic and inorganic oxidized sulfur species, e.g., persulfides, to yield a unique tetrasulfide bridge that allosterically inhibits DNA operator-promoter binding. Evaluation of five crystallographic structures of SqrR in various derivatized states, coupled with the results of a mass spectrometry-based kinetic profiling strategy, suggests that persulfide selectivity is determined by structural frustration of the disulfide form. This energetic roadblock effectively decreases the reactivity toward major oxidants to kinetically favor the formation of the tetrasulfide product. These findings lead to the identification of an uncharacterized repressor from the increasingly antibiotic-resistant bacterial pathogen, Acinetobacter baumannii, as a persulfide sensor, illustrating the predictive power of this work and potential applications to bacterial infectious disease.

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.

Somatostatin receptor (SSTR)-targeted PET imaging has emerged as a common approach to evaluating those patients with well-differentiated neuroendocrine tumors (NETs). The SSTR reporting and data system (SSTR-RADS) version 1.0 provides a means of categorizing lesions from 1 to 5 according to the likelihood of NET involvement, with SSTR-RADS-3A (soft-tissue) and SSTR-RADS-3B (bone) lesions being those suggestive of but without definitive NET involvement. The goal of the present study was to assess the ability of