Modo de acción molecular de CarH, el prototipo de una nueva familia de fotorreceptores dependientes de la vitamina B12plasticidad en su oligomerización, unión al DNA y diseño de su operador

Resumen

Para responder a la luz los organismos emplean proteínas fotorreceptoras. Se ha descubierto una familia de fotorreceptores bacterianos que utilizan como cromóforo un derivado de vitamina B12, la 5'-desoxiadenosilcobalamina (AdoCbl), un descubrimiento que reveló una nueva faceta biológica de esta vitamina como sensor de luz. El prototipo de dicha familia, CarH, es un represor transcripcional que generalmente regula la expresión fotoinducible de su propio gen, y de aquellos involucrados en la síntesis de carotenoides para mitigar el daño fotooxidativo. El mecanismo de acción más estudiado es el del homólogo de Thermus thermophilus, TtCarH. En oscuridad, ApoTtCarH es un monómero que, cuando se une a AdoCbl, forma un tetrámero capaz de unirse al DNA operador y reprimir la transcripción. La fotólisis de AdoCbl provoca el desensamblaje del tetrámero a monómeros incapaces de unirse al operador. Las estructuras del tetrámero de TtCarH, libre y unido al DNA, y del monómero expuesto a luz han proporcionado información a nivel atómico sobre su arquitectura y modo de acción, que ha sido corroborada por extensos análisis mutacionales e in vitro. Las proteínas CarH están formadas por un dominio autónomo N-terminal de unión a DNA (DBD) tipo hélice-"alada", similar al de las proteínas MerR, conectado mediante un linker flexible a un dominio sensor de luz C-terminal también autónomo, de unión a cobalamina y responsable de la oligomerización que contiene dos subdominios: un haz de cuatro hélices ? y un subdominio de plegamiento tipo Rossmann. Aunque el dominio sensor de luz de CarH es similar al módulo de unión a metilcobalamina de la sintetasa de metionina, CarH se une a AdoCbl, y esto depende de un motivo W-x(9)-EH que está conservado en los homólogos de CarH. En oscuridad, dos dominios C-terminal unidos a AdoCbl se agrupan con una disposición inusual cabeza-cola para formar un dímero, y dos dímeros se ensamblan como un tetrámero, posicionándose los cuatro DBDs en la superficie de la proteína. Esto resulta en un modo único de unión al DNA, donde el tetrámero de TtCarH utiliza tres de sus cuatro DBDs para unirse a tres repeticiones directas en tándem de 11 pares de bases (DRs) con una secuencia consenso 5'-nAnnTnnACAn-3'. La repetición central solapa con el elemento -35 del promotor reconocido por la RNA polimerasa asociada al factor A mayoritario. La pérdida del grupo 5'-desoxiadenosilo por la fotólisis de AdoCbl conlleva un desplazamiento del haz de hélices ? respecto al plegamiento tipo Rossmann, lo que provoca la disociación del tetrámero y la pérdida de unión al DNA. En este trabajo también se describe un segundo homólogo de CarH, BmCarH, de la bacteria Gram-positiva Bacillus megaterium. ApoBmCarH es un glóbulo fundido que no es capaz de unirse al DNA. La unión de AdoCbl en la oscuridad, que depende del motivo conservado W-x(9)-EH, genera un tetrámero plegado correctamente que se une al DNA. En luz, el tetrámero se disocia a dímeros, y no a monómeros. El análisis de la unión al DNA de BmCarH-DNA reveló un diseño de operador similar al de TtCarH, que solapa con el elemento promotor -35 o -10, pero más grande por presentar una DR adicional. Curiosamente, BmCarH puede unirse al operador de TtCarH con tres repeticiones y TtCarH a tres DRs contiguas de un operador de BmCarH con cuatro repeticiones. La flexibilidad de unión al DNA exhibida por BmCarH puede estar relacionada con su linker más largo. En conjunto, los resultados revelan una plasticidad insospechada en el modo de oligomerización, arquitectura del operador y unión al DNA en los fotorreceptores de la familia CarH que tiene relevancia tanto en su función biológica como en su uso como herramienta en optogenética.