Structural insights into Vibrio cholerae ompU transcription activation

Abstract

[eng] Cholera is an acute life-threatening infection caused by the bacterium Vibrio cholerae, a devastating pathogen in least developed countries, which caused six world pandemics, apart from the ongoing one. Despite current efforts to eradicate the disease by vaccination and sanitation improvements, the World Health Organization estimates 1.3 to 4 million infections per year and more than 100,000 deaths worldwide. A global source of cholera outbreak has been observed since 2021. The rise of V. cholerae antibiotic resistant strains evidences the need of new or repurposed drugs. Understanding the virulence activation mechanism of V. cholerae might open new ways to fight the infection. ToxR is the master regulator of virulence-related gene activation in V. cholerae epidemic strains. This transcription factor is a transmembrane protein with a sensor domain at the periplasmic space and a DNA binding domain at the cytoplasm, linked by a single-pass transmembrane region. When V. cholerae reaches the small intestine, ToxR recruits TcpP, which activates the expression cascades for the Cholera Toxin (CT) and Toxin Co-regulated Pilus (TCP). Moreover, ToxR directly activates the expression of OmpU, a bile salt resistance porin, which allows V. cholerae surviving during host colonization. Using single-particle cryo-EM, we have solved the atomic structures of the ompU promoter transcription activation complex comprising V. cholerae’s RNA polymerase, a 69bp ompU promoter fragment, and the ToxR DNA binding domain. Based on the structures we propose a model for the ompU transcription activation where the RNA polymerase is recruited and transcription is activated through the ToxR DNA binding domain interaction with the α-CTD of the RNA polymerase.

[spa] El cólera es una enfermedad infecciosa causada por la bacteria Vibrio cholerae y afecta a entre 1 y 4 millones de personas al año en todo el mundo. Ha causado 7 grandes pandemias y actualmente vivimos una desde 1961. Sin embargo, este patógeno afecta mayoritariamente a países en desarrollo, motivo por el cual no aparece normalmente en las noticias. La enfermedad tiene un curso muy rápido donde los síntomas de diarrea masiva y deshidratación, causados por la toxina del cólera, pueden causar la muerte del paciente si no recibe tratamiento de forma inmediata. Actualmente el tratamiento por excelencia es la terapia de hidratación y la administración de antibióticos, que han demostrado reducir la mortalidad. Sin embargo, están surgiendo cepas resistentes a los antibióticos prescritos, hecho que nos lleva a la necesidad de seguir investigando esta enfermedad y formas de frenarla.

Esta tesis muestra por primera vez y a resolución atómica el mecanismo de activación de la transcripción del gen ompU, involucrado en el proceso de infección del patógeno Vibrio cholerae. Un total de tres estructuras atómicas ilustran el proceso mediante el cual ToxR, el factor de transcripción regulador por excelencia de la expresión de genes relacionados con virulencia de V. cholerae, activa la transcripción del gen ompU, formando complejo con la RNA polimerasa del patógeno. Las tres estructuras presentadas corresponden al complejo del promotor abierto (RPo), complejo de activación de la transcripción (TAC) y complejo de inicio de la transcripción (TIC), cuyos datos experimentales fueron adquiridos mediante crio-microscopía electrónica de alta resolución. El trazado de las estructuras atómicas y su posterior análisis estructural revelan que el mecanismo de activación de la transcripción de ompU es debido a la interacción entre ToxR y el dominio α-CTD de la RNA polimerasa.