Arginine utilization in P. aeruginosa as the source of carbon, nitrogen, and energy is controlled by a complicated regulatory mechanism. While ArgR in the presence of exogenous arginine is required for auto-induction of the aotJQMOP-argR operon for arginine uptake and regulation, this operon is subjected to carbon catabolite repression via an unknown mechanism. This study demonstrated that succinate exerted a stronger repression effect than glucose or pyruvate on arginine induction of an aotJ::lacZ fusion in wild type PAO1. Expression of the aotJ::lacZ fusion was analyzed against three different backgrounds, cbrAB, crc, and vfr, that have been suggested to play a role in carbon catabolite repression. These mutations exerted a negative effect on the arginine-responsive induction to different extents, with the order of cbrAB > vfr > crc. A series of aotJ::lacZ fusions with deletions in the aotJ regulatory region were constructed and the effect of exogenous arginine examined in the argR mutant and its parent strain. The results indicated that a 250-bp sequence upstream of the ArgR operator is required for the optimal induction of the operon by exogenous arginine, and revealed the presence of a cryptic promoter (P0) in this region. Electromobility shift assays with crude cell-free extracts of PAO1 revealed that a DNA-binding protein other than ArgR binds to the aforementioned 250-bp region. Through reverse genetics, two regulatory proteins MvaT and MvaU were identified and specifically interacted with the aotJ-argR regulatory region. The MvaT/MvaU are involved in the regulation of the P0 promoter. The importance of MvaT and MvaU for bacterial growth was supported by the notion that no true mvaT mvaU double knockout mutant can be constructed. This is the first case to characterize the growth phenotypes of quasi-mvaT mvaU double mutants complemented with fusions for arginine-inducible expression of mvaT or mvaU. Further analysis of the physiological significance of MvaT and MvaU revealed their involvement in swarming response and pyocyanin synthesis. The defect in pyocyanin synthesis was correlated to the diminished level of PQS, an important chemical signal compound in the quorum sensing network of P. aeruginosa.

Arginine utilization in Pseudomonas aeruginosa with multiple catabolic pathways represents one of the best examples of metabolic versatility of this organism. To identify genes of this complex arginine network, we employed DNA microarray to analyze the transcriptional profiles of this organism in response to L-arginine. While most genes in arginine uptake, regulation and metabolism have been identified as members of the ArgR regulon in our previous study, eighteen putative transcriptional units of 38 genes including the two known genes of the arginine dehydrogenase (ADH) pathway, kauB and gbuA, were found inducible by exogenous L-arginine but independent of ArgR. The potential physiological functions of those candidate genes in L-arginine utilization were studied by growth phenotype analysis in knockout mutants. The insertion mutation of aruH encoding an L-arginine:pyruvate transaminase abolished the capability to grow on L-arginine of an aruF mutant devoid of a functional arginine succinyltransferase (AST) pathway, the major route of arginine utilization. The aruH gene was cloned and over-expressed in E. coli. Taking L-arginine and pyruvate as the substrates, the reaction products of recombinant enzyme were identified by MS and HPLC as 2-ketoarginine and L-alanine. Lineweaver-Burk plots of the data revealed a series of parallel lines characteristic of ping-pong kinetics mechanism, and the apparent Km and catalytic efficiency (Kcat/Km) were 1.6 ± 0.1 mM and 24.1 mM-1 s-1 for pyruvate and 13.9 ± 0.8 mM and 2.8 mM-1 s-1 for L-arginine. Recombinant AruH showed an optimal pH at 9.0 and substrate specificity with an order of preference being Arg > Lys > Met > Leu > Orn > Gln. These data led us to propose the arginine transaminase (ATA) pathway that removes the α-amino group of L-arginine via transamination instead of oxidative deamination by dehydrogenase or oxidase as originally proposed. In the same genetic locus, we also identified a two-component system, AruRS, for the regulation of arginine-responsive induction of the ATA pathway. Our latest DNA microarray experiments under D-arginine conditions also revealed PA3863 as the candidate gene encoding D-arginine dehydrogenase which might lead to the recognition of a wider network of arginine metabolism than we previously recognized.

Mon projet de recherche avait pour but de caractériser le rôle de deux protéines, ArgR et PepA, qui agissent en tant que facteurs accessoires de la recombinaison au niveau de deux sites cer du plasmide ColE1 présent dans la bactérie Escherichia coli. Ces deux protéines, couplées aux deux recombinases à tyrosine XerC et XerD, permettent la catalyse de la recombinaison site spécifique au niveau de la séquence cer, convertissant les multimères instables de ColE1 en monomères stables. Cette étude a principalement porté sur la région C-terminale de la protéine ArgR. Cette région de la protéine ArgR possède une séquence en acides-aminés et une structure similaire à celle de la protéine AhrC de Bacillus subtilis. De plus, AhrC, le répresseur de l’arginine de cette bactérie, est capable de complémenter des Escherichia coli mutantes déficientes en ArgR. Les régions C-terminales de ces protéines, montrent une forte similarité. De précédents travaux dans notre laboratoire ont démontré que des mutants d’ArgR comprenant des mutations dans cette région, en particulier les mutants ArgR149, une version tronquée d’ArgR de 149 acides-aminés, et ArgR5aa, une version comprenant une insertion de cinq acides-aminés dans la partie C-terminale, perdaient la capacité de permettre la recombinaison au niveau de deux sites cer présents dans le plasmide pCS210. Malgré cette incapacité à promouvoir la réaction de recombinaison en cer, ces deux mutants étaient toujours capables de se lier spécifiquement à l’ADN et de réprimer une fusion argA :: lacZ. Dans ce travail, les versions mutantes et sauvages d’ArgR furent surexprimées en tant que protéines de fusion 6-histidine. Des analyses crosslinking ont montré que la version sauvage et ArgR5aa pouvaient former des hexamères in-vitro de manière efficace, alors qu’ArgR149 formait des multimères de plus faible poids moléculaire. Des formes tronquées d’ArgR qui comportaient 150 acides-aminés ou plus, étaient encore capables de permettre la recombinaison en cer. Les mutants par substitution ArgRL149A et ArgRL151A ont tous montré que les substitutions d’un seul acide-aminé au sein de cette région avaient peu d’effets sur la recombinaison en cer. Les expériences de crosslinking protéine-à-protéine ont montré que le type sauvage et les formes mutantes d’ArgR étaient capables d’interagir avec la protéine accessoire PepA, également impliquée dans la recombinaison en cer. Les expériences de recombinaison in-vitro utilisant la forme sauvage et les formes mutantes d’ArgR combinées avec les protéines PepA, XerC et XerD purifiées, ont montré que le mutant ArgR149 ne soutenait pas la recombinaison, mais que le mutant ArgR5aa permettait la formation d’une jonction d’Holliday. Des expériences de topologie ont montré que PepA était capable de protéger l’ADN de la topoisomérase 1, et d’empêcher ArgRWt de se lier à l’ADN. Les deux mutants ArgR149 et ArgR5aa protègent aussi l’ADN avec plus de surenroulements. Quand on ajoute PepA, les profils de migration montrent un problème de liaison des deux mutants avec PepA. D’autres expériences impliquant le triplet LEL (leucine-acide glutamique-leucine) et les acides-aminés alentour devraient être réalisés dans le but de connaitre l’existence d’un site de liaison potentiel pour PepA. / My research project involved the role of two proteins, ArgR and PepA, which act as accessory factors in the ColE1 cer recombination system from the gram negative bacteria Escherichia coli. These two proteins, in addition to the tyrosine recombinases XerC and XerD, catalyze a site-specific recombination event at the cer sequence which converts unstable multimeric forms of ColE1 into more stable monomers. Our study mainly focused on the C-terminal end of the ArgR. This region of the ArgR protein possesses a structural and amino acid sequence similarity with the AhrC protein from Bacillus subtilis. Moreover, AhrC, the Arginine repressor of this bacterium, is able to complement Escherichia coli mutants deficient in ArgR. The C-terminal regions of these proteins, display a very high region of similarity. Previous work from our laboratory has shown that ArgR mutants with mutations in this region, especially the mutants ArgR149, a truncated 149 amino acids form of ArgR, and ArgR5aa, a form containing a five amino acid insertion in the C-terminal part, lost the ability to perform a recombination reaction at two cer sites in the plasmid pCS210. Despite this defect in promoting cer recombination, the mutants were still able to bind specifically to DNA, and to repress an argA :: lacZ genetic fusion. In this work, both wild type and mutant ArgR proteins were overexpressed as 6-histidine fusion proteins. Crosslinking analysis showed that both wild type and ArgR5aa efficiently formed hexamers in vitro, while ArgR149 formed lower molecular weight multimers. Truncated forms of ArgR that were 150 amino acids or longer, were able to support cer recombination. The substitution mutants between positions 149 to 151 all showed that single amino acid substitutions at this region had little effect on cer recombination. Protein-protein crosslinking experiments showed that wild type and mutant forms of ArgR, were able to interact with and the other accessory protein involved in cer recombination, PepA. In vitro recombination experiments using wild type and mutant forms of ArgR, combined with purified PepA, XerC and XerD showed that the ArgR149 mutant did not support recombination, but the ArgR5aa mutant did promote Holliday junction formation, raising the possibility that these two mutants interact differently with the Xer recombination machinery. Topology experiments showed that after adding topoisomerase 1, PepA is able to protect DNA from topoisomerase 1, and prevent ArgRWt binding to DNA. The two mutants ArgR149 and ArgR5aa are protecting DNA with more supercoiling. When PepA is added, migration profiles with the two mutants showed a binding problem with PepA. Other experiments involving the LEL triplet (leucine-glutamic acid-leucine) and amino-acids around it should be done in order to know the existence of a possible binding site for PepA.

Mon projet de recherche avait pour but de caractériser le rôle de deux protéines, ArgR et PepA, qui agissent en tant que facteurs accessoires de la recombinaison au niveau de deux sites cer du plasmide ColE1 présent dans la bactérie Escherichia coli. Ces deux protéines, couplées aux deux recombinases à tyrosine XerC et XerD, permettent la catalyse de la recombinaison site spécifique au niveau de la séquence cer, convertissant les multimères instables de ColE1 en monomères stables. Cette étude a principalement porté sur la région C-terminale de la protéine ArgR. Cette région de la protéine ArgR possède une séquence en acides-aminés et une structure similaire à celle de la protéine AhrC de Bacillus subtilis. De plus, AhrC, le répresseur de l’arginine de cette bactérie, est capable de complémenter des Escherichia coli mutantes déficientes en ArgR. Les régions C-terminales de ces protéines, montrent une forte similarité. De précédents travaux dans notre laboratoire ont démontré que des mutants d’ArgR comprenant des mutations dans cette région, en particulier les mutants ArgR149, une version tronquée d’ArgR de 149 acides-aminés, et ArgR5aa, une version comprenant une insertion de cinq acides-aminés dans la partie C-terminale, perdaient la capacité de permettre la recombinaison au niveau de deux sites cer présents dans le plasmide pCS210. Malgré cette incapacité à promouvoir la réaction de recombinaison en cer, ces deux mutants étaient toujours capables de se lier spécifiquement à l’ADN et de réprimer une fusion argA :: lacZ. Dans ce travail, les versions mutantes et sauvages d’ArgR furent surexprimées en tant que protéines de fusion 6-histidine. Des analyses crosslinking ont montré que la version sauvage et ArgR5aa pouvaient former des hexamères in-vitro de manière efficace, alors qu’ArgR149 formait des multimères de plus faible poids moléculaire. Des formes tronquées d’ArgR qui comportaient 150 acides-aminés ou plus, étaient encore capables de permettre la recombinaison en cer. Les mutants par substitution ArgRL149A et ArgRL151A ont tous montré que les substitutions d’un seul acide-aminé au sein de cette région avaient peu d’effets sur la recombinaison en cer. Les expériences de crosslinking protéine-à-protéine ont montré que le type sauvage et les formes mutantes d’ArgR étaient capables d’interagir avec la protéine accessoire PepA, également impliquée dans la recombinaison en cer. Les expériences de recombinaison in-vitro utilisant la forme sauvage et les formes mutantes d’ArgR combinées avec les protéines PepA, XerC et XerD purifiées, ont montré que le mutant ArgR149 ne soutenait pas la recombinaison, mais que le mutant ArgR5aa permettait la formation d’une jonction d’Holliday. Des expériences de topologie ont montré que PepA était capable de protéger l’ADN de la topoisomérase 1, et d’empêcher ArgRWt de se lier à l’ADN. Les deux mutants ArgR149 et ArgR5aa protègent aussi l’ADN avec plus de surenroulements. Quand on ajoute PepA, les profils de migration montrent un problème de liaison des deux mutants avec PepA. D’autres expériences impliquant le triplet LEL (leucine-acide glutamique-leucine) et les acides-aminés alentour devraient être réalisés dans le but de connaitre l’existence d’un site de liaison potentiel pour PepA. / My research project involved the role of two proteins, ArgR and PepA, which act as accessory factors in the ColE1 cer recombination system from the gram negative bacteria Escherichia coli. These two proteins, in addition to the tyrosine recombinases XerC and XerD, catalyze a site-specific recombination event at the cer sequence which converts unstable multimeric forms of ColE1 into more stable monomers. Our study mainly focused on the C-terminal end of the ArgR. This region of the ArgR protein possesses a structural and amino acid sequence similarity with the AhrC protein from Bacillus subtilis. Moreover, AhrC, the Arginine repressor of this bacterium, is able to complement Escherichia coli mutants deficient in ArgR. The C-terminal regions of these proteins, display a very high region of similarity. Previous work from our laboratory has shown that ArgR mutants with mutations in this region, especially the mutants ArgR149, a truncated 149 amino acids form of ArgR, and ArgR5aa, a form containing a five amino acid insertion in the C-terminal part, lost the ability to perform a recombination reaction at two cer sites in the plasmid pCS210. Despite this defect in promoting cer recombination, the mutants were still able to bind specifically to DNA, and to repress an argA :: lacZ genetic fusion. In this work, both wild type and mutant ArgR proteins were overexpressed as 6-histidine fusion proteins. Crosslinking analysis showed that both wild type and ArgR5aa efficiently formed hexamers in vitro, while ArgR149 formed lower molecular weight multimers. Truncated forms of ArgR that were 150 amino acids or longer, were able to support cer recombination. The substitution mutants between positions 149 to 151 all showed that single amino acid substitutions at this region had little effect on cer recombination. Protein-protein crosslinking experiments showed that wild type and mutant forms of ArgR, were able to interact with and the other accessory protein involved in cer recombination, PepA. In vitro recombination experiments using wild type and mutant forms of ArgR, combined with purified PepA, XerC and XerD showed that the ArgR149 mutant did not support recombination, but the ArgR5aa mutant did promote Holliday junction formation, raising the possibility that these two mutants interact differently with the Xer recombination machinery. Topology experiments showed that after adding topoisomerase 1, PepA is able to protect DNA from topoisomerase 1, and prevent ArgRWt binding to DNA. The two mutants ArgR149 and ArgR5aa are protecting DNA with more supercoiling. When PepA is added, migration profiles with the two mutants showed a binding problem with PepA. Other experiments involving the LEL triplet (leucine-glutamic acid-leucine) and amino-acids around it should be done in order to know the existence of a possible binding site for PepA.