Analysis of Amino Acid Residues Affecting the Activity of QscR, a Quorum Sensing Receptor of Pseudomonas aeruginosa

Pseudomonas aeruginosa, a Gram-negative bacterium, is an ubiquitous and opportunistic human pathogen, which expresses many virulence factors through quorum sensing (QS) regulation. QscR, one of the QS signal receptors of P. aeruginosa, has unique features that make it possible to distinguish QscR from other QS receptors. In the present study, we focused on amino acid residues responsible for such a broad signal specificity of QscR. Thus we constructed mutant QscRs: $QscR_{T72I}$, $QscR_{R132M}$, and $QscR_{T140I}$ by substituting $72^{nd}$ threonine, $132^{nd}$ arginine, and $140^{th}$ threonine residues with isoleucine, methionine, and isoleucine, respectively by site-directed mutagenesis. When we examined the activity of these mutant QscRs, $QscR_{R132M}$ failed to respond to N-3-oxododecanoyl homoserine lactone (3OC12-HSL), but $QscR_{T72I}$ and $QscR_{T140I}$ remained the ability to respond to 3OC12-HSL despite much reduction of the sensitivity. When we treated a variety of acyl-HSLs with different structure, $QscR_{T72I}$ and $QscR_{T140I}$ showed better responsiveness to N-decanoyl HSL (C10-HSL) or N-dodecanoyl HSL (C12-HSL) that has no oxo-moiety at $3^{rd}$ carbon of acyl group than to 3OC12-HSL, and $QscR_{R132M}$ showed no responsiveness to any acyl-HSLs tested here. In addition, $QscR_{T72I}$ and $QscR_{T140I}$ were inhibited by 5f, a QscR inhibitor as similarly as wild type QscR was. These results suggest that while the $130^{th}$ arginine is crucial in both activity and acyl-HSL binding of QscR, the $72^{nd}$ and $140^{th}$ threonines are important in the activity, but they are little responsible for the discrimination of acyl-HSLs or competitive inhibitor.

녹농균(Pseudomonas aeruginosa)의 쿼럼 센싱 수용체인 QscR의 활성에 영향을 미치는 아미노산 잔기 분석

그람 음성균인 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)은 다양한 환경에 존재하는 기회감염성 병원균으로, 병원성의 발현에 쿼럼센싱(QS) 기전이 중요한 역할을 담당한다. 녹농균의 여러 QS 신호물질 수용체들 중 하나인 QscR은 다른 QS 수용체들과는 구분되는 특별한 특성들을 가진다. 본 연구에서는 이러한 특성들 중 특히 넓은 신호물질 특이성을 QscR에 부여해 주는 아미노산 잔기가 무엇인지 알아보기 위해, QscR의 72번째 threonine, 132번째 arginine, 140번째 threonine 잔기가 각각 isoleucine, methionine, isoleucine 잔기로 치환된 돌연변이 QscR들($QscR_{T72I}$, $QscR_{R132M}$, $QscR_{T140I}$)을 제조하였다. 이들의 활성을 측정해 보았을 때 $QscR_{R132M}$은 N-3-oxododecanoyl homoserine lactone (3OC12-HSL)에 대한 반응성이 사라졌고, $QscR_{T72I}$와 $QscR_{T140I}$는 민감성이 많이 감소하기는 하였으나 여전히 3OC12-HSL에 대한 반응성을 가지고 있었다. 이들 돌연변이 QscR들에 다양한 구조의 acyl-HSL을 처리해 보았을 때, $QscR_{T72I}$와 $QscR_{T140I}$는 야생형 QscR처럼 자기 자신의 신호물질인 3OC12-HSL 보다 N-decanoyl HSL (C10-HSL)이나 N-dodecanoyl HSL (C12-HSL)처럼 10개 혹은 12개의 탄소 사슬을 가지면서 3번째 탄소에 oxo-moiety가 없는 acyl-HSL에 대해 더 높은 반응성을 보였으며, $QscR_{R132M}$은 3OC12-HSL 뿐만 아니라 본 연구에서 사용된 어떤 acyl-HSL에도 반응성을 보이지 않았다. 또한 $QscR_{T72I}$와 $QscR_{T140I}$는 QscR 억제제인 5f에 의해 야생형 QscR과 비슷한 수준으로 활성이 억제되었다. 이러한 결과들은 130번째 arginine의 경우 QscR의 활성과 acyl-HSL들과의 결합에 중요한 역할을 하는 반면, 72번째와 140번째 threonine들의 경우 QscR의 활성에는 중요하지만, 다른 구조의 acyl-HSL들에 대한 선택적 결합이나, 경쟁적 억제자들의 결합 간섭에는 영향을 주지 않음을 시사하는 것이다.