Compensatory periplasmic nitrate reductase activity supports anaerobic growth of Pseudomonas aeruginosa PAO1 in the absence of membrane nitrate reductase

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Nitrate serves as a terminal electron acceptor under anaerobic conditions in Pseudomonas aeruginosa. Reduction of nitrate to nitrite generates a transmembrane proton motive force allowing ATP synthesis and anaerobic growth. The inner membrane-bound nitrate reductase NarGHI is encoded within the narK1K2GHJI operon, and the periplasmic nitrate reductase NapAB is encoded within the napEFDABC operon. The roles of the 2 dissimilatory nitrate reductases in anaerobic growth, and the regulation of their expressions, were examined by use of a set of deletion mutants in P. aeruginosa PAO1. NarGHI mutants were unable to grow anaerobically, but plate cultures remained viable up to 120 h. In contrast, the nitrate sensor-response regulator mutant ΔnarXL displayed growth arrest initially, but resumed growth after 72 h and reached the early stationary phase in liquid culture after 120 h. Genetic, transcriptional, and biochemical studies demonstrated that anaerobic growth recovery by the NarXL mutant was the result of NapAB periplasmic nitrate reductase expression. A novel transcriptional start site for napEFDABC expression was identified in the NarXL mutant grown anaerobically. Furthermore, mutagenesis of a consensus NarL-binding site monomer upstream of the novel transcriptional start site restored anaerobic growth recovery in the NarXL mutant. The data suggest that during anaerobic growth of wild-type P. aeruginosa PAO1, the nitrate response regulator NarL directly represses expression of periplasmic nitrate reductase, while inducing maximal expression of membrane nitrate reductase.

Le nitrate sert d’accepteur de protons terminal en conditions anaérobies chez Pseudomonas aeruginosa. La réduction du nitrate en nitrite génère une force protomotrice transmembranaire permettant la synthèse d’ATP et la croissance anaérobie. La nitrate réductase liée à la membrane interne NarGHI est codée au sein de l’opéron narK1K2GHJI, alors que la nitrate réductase périplasmique NapAB est codée au sein de l’opéron napEFDABC. Le rôle de ces 2 nitrate réductases dissimilatoires dans la croissance anaérobie, et la régulation de leur expression ont été examinés à l’aide d’une série de mutants de délétion chez P. aeruginosa PAO1. Les mutants NarGHI étaient incapables de croître en anaérobie, mais les cultures en plaques demeuraient viables jusqu’à 120 h. Au contraire, le mutant du système de régulation de détection du nitrate ΔnarXL cessait d’abord de croître mais reprenait sa croissance après 72 h et atteignait une phase stationnaire précoce en culture liquide après 120 h. Des études génétiques, transcriptionnelles et biochimiques ont démontré que la reprise de la croissance anaérobie par le mutant NarXL était le résultat de l’expression de la nitrate réductase périplasmique NapAB. Un nouveau site d’initiation de la transcription de napEFDABC a été identifié chez le mutant NarXL placé en anaérobie. De plus, la mutagenèse d’un site consensus de liaison du monomère NarL situé en amont de ce nouveau site d’initiation de la transcription rétablissait la croissance anaérobie du mutant NarXL. Ces données suggèrent que lors de la croissance anaérobie de P. aeruginosa PAO1 sauvage, le régulateur de réponse au nitrate NarL réprime directement l’expression de la nitrate réductase périplasmique, tout en induisant une expression maximale de la nitrate réductase membranaire.

Document Type: Research Article

Publication date: October 1, 2009

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  • Published since 1954, this monthly journal contains new research in the field of microbiology including applied microbiology and biotechnology; microbial structure and function; fungi and other eucaryotic protists; infection and immunity; microbial ecology; physiology, metabolism and enzymology; and virology, genetics, and molecular biology. It also publishes review articles and notes on an occasional basis, contributed by recognized scientists worldwide.
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