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An Assay for Measuring the Activity of <em>Escherichia coli</em> Inducible Lysine Decarboxyase

Escherichia coli is an enteric bacterium that is capable of growing over a wide range of pH values (pH 5 - 9)1 and, incredibly, is able to survive extreme ...

The MoxR family of AAA+ ATPases is widespread throughout bacteria and archaea but remains poorly characterized. We recently found that the Escherichia coli MoxR protein, RavA (Regulatory ATPase variant A), tightly interacts with the inducible lysine decarboxylase, LdcI/CadA, to form a unique cage-like structure. Here, we present the X-ray structure of RavA and show that the Î±Î²Î± and all-Î± subdomains in the RavA AAA+ module are arranged as in magnesium chelatases rather than as in classical AAA+ proteins. RavA structure also contains a discontinuous triple-helical domain as well as a Î²-barrel-like domain forming a unique fold, which we termed the LARA domain. The LARA domain was found to mediate the interaction between RavA and LdcI. The RavA structure provides insights into how five RavA hexamers interact with two LdcI decamers to form the RavA-LdcI cage-like structure.

Structure of RavA MoxR AAA+ protein reveals the design principles of a molecular cage modulating the inducible lysine decarboxylase activity.

Die MoxR-Familie von AAA + ATPases ist weit verbreitet im ganzen Bakterien und Archaeen aber noch schlecht charakterisiert. Wir vor kurzem festgestellt, dass die Escherichia coli MoxR Protein, RavA (regulatorische ATPase Variante A), eng interagiert mit der durch Induktion Lysin-Decarboxylase, LdcI/CadA, eine einzigartige K&auml;fig-wie Struktur zu bilden. Hier pr&auml;sentieren wir die x-ray-Struktur der RavA und zeigen, dass die &alpha;&beta;&alpha; und All-&alpha; Subdomains im RavA AAA + Modul wie Magnesium Chelatases und nicht wie in klassischen AAA + Proteine angeordnet sind. RavA-Struktur enth&auml;lt auch eine diskontinuierliche dreifach-Kegelrad Dom&auml;ne sowie einer &beta;-Fass-&auml;hnliche Dom&auml;ne bilden eine einzigartige Falte, das wir die LARA-Dom&auml;ne bezeichnet. Die LARA-Dom&auml;ne wurde festgestellt, dass um die Interaktion zwischen RavA und LdcI zu vermitteln. Die RavA-Struktur bietet Einblicke in wie f&uuml;nf RavA Hexamers Interaktion mit zwei LdcI Decamers die RavA-LdcI K&auml;fig-Struktur zu bilden.

Struktur der RavA MoxR AAA + Protein zeigt die Design-Prinzipien der molekularen K&auml;fig Modulierung der durch Induktion Lysin-Decarboxylase-Aktivit&auml;t.

The Escherichia coli inducible lysine decarboxylase, LdcI/CadA, together with the inner-membrane lysine-cadaverine antiporter, CadB, provide cells with protection against mild acidic conditions (pHâˆ¼5). To gain a better understanding of the molecular processes underlying the acid stress response, the X-ray crystal structure of LdcI was determined. The structure revealed that the protein is an oligomer of five dimers that associate to form a decamer. Surprisingly, LdcI was found to co-crystallize with the stringent response effector molecule ppGpp, also known as the alarmone, with 10 ppGpp molecules in the decamer. ppGpp is known to mediate the stringent response, which occurs in response to nutrient deprivation. The alarmone strongly inhibited LdcI enzymatic activity. This inhibition is important for modulating the consumption of lysine in cells during acid stress under nutrient limiting conditions. Hence, our data provide direct evidence for a link between the bacterial acid stress and stringent responses.

Linkage between the bacterial acid stress and stringent responses: the structure of the inducible lysine decarboxylase.

Die Escherichia-coli-durch Induktion erh&auml;ltlichen Lysin-Decarboxylase, LdcI/CadA, zusammen mit der inneren Membrane Lysin-Kadaverine-Antiporter, CadB, bieten Zellen mit Schutz gegen milden sauren Bedingungen (pH&sim;5). Um ein besseres Verst&auml;ndnis der molekularen Prozesse zugrunde liegen die saure Stressantwort zu gewinnen, wurde die R&ouml;ntgen-Kristallstruktur von LdcI ermittelt. Die Struktur ergeben, dass das Protein ein Oligomer von f&uuml;nf-Dimer, das Zuordnen eines Decamer zu bilden. &Uuml;berraschenderweise wurde LdcI festgestellt, dass mit der strengen Antwort Effektor Molek&uuml;l PpGpp, auch bekannt als die Alarmone, mit 10 PpGpp-Molek&uuml;le in die Decamer co-crystallize. PpGpp ist bekannt, dass die strenge Antwort zu vermitteln, die als Reaktion auf N&auml;hrstoff Mangel auftritt. Die Alarmone gehemmt stark LdcI enzymatische Aktivit&auml;t. Diese Hemmung ist wichtig f&uuml;r die Modulierung des Verbrauchs von Lysin in Zellen bei sauren Stress unter N&auml;hrstoff einschr&auml;nkenden Bedingungen. Daher liefern unsere Daten direkte Beweise f&uuml;r einen Zusammenhang zwischen der bakteriellen S&auml;ure Stress und strengen Antworten.

Verbindung zwischen der bakteriellen S&auml;ure Stress und strengen Antworten: die Struktur der durch Induktion Lysin-Decarboxylase.

The stringent response regulator ppGpp has recently been shown by our group to inhibit the Escherichia coli inducible lysine decarboxylase, LdcI. As a follow-up to this observation, we examined the mechanisms that regulate the activities of the other four E. coli enzymes paralogous to LdcI: the constitutive lysine decarboxylase LdcC, the inducible arginine decarboxylase AdiA, the inducible ornithine decarboxylase SpeF, and the constitutive ornithine decarboxylase SpeC. LdcC and SpeC are involved in cellular polyamine biosynthesis, while LdcI, AdiA, and SpeF are involved in the acid stress response. Multiple mechanisms of regulation were found for these enzymes. In addition to LdcI, LdcC and SpeC were found to be inhibited by ppGpp; AdiA activity was found to be regulated by changes in oligomerization, while SpeF and SpeC activities were regulated by GTP. These findings indicate the presence of multiple mechanisms regulating the activity of this important family of decarboxylases. When the enzyme inhibition profiles are analyzed in parallel, a "zone of inhibition" between pH 6 and pH 8 is observed. Hence, the data suggest that E. coli utilizes multiple mechanisms to ensure that these decarboxylases remain inactive around neutral pH possibly to reduce the consumption of amino acids at this pH.

The enzymatic activities of the Escherichia coli basic aliphatic amino acid decarboxylases exhibit a pH zone of inhibition.

Die strenge Antwort Regler PpGpp hat sich die Escherichia-coli-durch Induktion erh&auml;ltlichen Lysin-Decarboxylase, LdcI hemmen vor kurzem von unserer Fraktion gezeigt. Im Anschluss an diese Beobachtung, untersuchten wir die Mechanismen, die die T&auml;tigkeiten der anderen vier E. Coli Enzyme, LdcI paralogen regulieren: die konstitutive Lysin-Decarboxylase LdcC, der durch Induktion Arginin-Dekarboxylase AdiA, der durch Induktion Ornithin-Dekarboxylase SpeF, und die konstitutive Ornithin-Dekarboxylase Normblatt LdcC und SpeC beteiligt sind zellul&auml;re Polyamin-Biosynthese, w&auml;hrend LdcI, AdiA, und die saure Stressantwort SpeF beteiligt sind. Mehrere Mechanismen der Verordnung wurden f&uuml;r diese Enzyme gefunden. Neben LdcI fanden LdcC und Spezifikation von PpGpp gehemmt werden; AdiA-Aktivit&auml;t wurde festgestellt, dass durch Ver&auml;nderungen in der Oligomerisierung, geregelt werden, w&auml;hrend SpeF und SpeC-Aktivit&auml;ten von GTP geregelt wurden. Diese Befunde zeigen das Vorhandensein von mehreren Regulierungsmechanismen der Aktivit&auml;t dieser wichtigen Familie der Decarboxylases. Wenn die Enzym-Hemmung-profile parallel analysiert werden, wird eine &quot;Zone der Hemmung&quot; zwischen pH 6 und pH 8 beobachtet. Daher schlagen die Daten, dass E. Coli nutzt mehrere Mechanismen, um sicherzustellen, dass diese Decarboxylases m&ouml;glicherweise um pH-neutrale inaktiv bleiben, um den Verbrauch von Aminos&auml;uren bei diesem pH-Wert reduzieren.

Article	Year
Structure of RavA MoxR AAA+ protein reveals the design principles of a molecular cage modulating the inducible lysine decarboxylase activity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America\| PubMed ID: 21148420	2010
Linkage between the bacterial acid stress and stringent responses: the structure of the inducible lysine decarboxylase. The EMBO journal\| PubMed ID: 21278708	2011
The enzymatic activities of the Escherichia coli basic aliphatic amino acid decarboxylases exhibit a pH zone of inhibition. Biochemistry\| PubMed ID: 21957966	2011

Usheer Kanjee

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