The LutR protein represses the transcription of genes encoding enzymes for the utilization of l-lactate in Bacillus subtilis through binding to a specific DNA region. In this study, we employed oligonucleotide probes modified by viscosity-sensitive tetramethylated thiophene-BODIPY fluorophores to investigate the impact of selected metabolites on the LutR-DNA complex. Our goal was to identify the effector molecule whose binding alters the protein-DNA affinity, thereby enabling gene transcription. The designed DNA probes exhibited distinctive responses to the binding and release of the protein, characterized by significant alterations in fluorescence lifetime. Through this method, we have identified l-lactate as the sole metabolite exerting a substantial modulating effect on the protein-DNA interaction and thus confirmed its role as an effector molecule. Moreover, we showed that our approach was able to follow conformation changes affecting affinity, which were not captured by other methods commonly used to study the protein-DNA interaction, such as electro-mobility shift assays and florescence anisotropy binding studies. This work underlines the potential of environment-sensitive fluorophore-linked nucleotide modifications, i.e. dCTBdp, for studying the dynamics and subtle changes of protein-DNA interactions.

Department of Organic Chemistry Faculty of Science Charles University Hlavova 8 CZ 12843 Prague 2 Czechia

Institute of Organic Chemistry and Biochemistry Czech Academy of Sciences Flemingovo n 2 Prague 6 Czechia

Zobrazit více v PubMed

Xu W. Chan K. M. Kool E. T. Nat. Chem. 2017;9:1043–1055. doi: 10.1038/nchem.2859. PubMed DOI PMC

Hocek M. Acc. Chem. Res. 2019;52:1730–1737. doi: 10.1021/acs.accounts.9b00195. PubMed DOI

Michel B. Y. Dziuba D. Benhida R. Demchenko A. P. Burger A. Front. Chem. 2020;8:112. doi: 10.3389/fchem.2020.00112. PubMed DOI PMC

Teppang K. L. Lee R. W. Burns D. D. Turner M. B. Lokensgard M. E. Cooksy A. L. Purse B. W. Chem. – Eur. J. 2019;25:1249–1259. doi: 10.1002/chem.201803653. PubMed DOI PMC

Klimkowski P. De Ornellas S. Singleton D. El-Sagheer A. H. Brown T. Org. Biomol. Chem. 2019;17:5943–5950. doi: 10.1039/C9OB00885C. PubMed DOI PMC

Karimi A. Börner R. Mata G. Luedtke N. W. J. Am. Chem. Soc. 2020;142:14422–14426. doi: 10.1021/jacs.0c05180. PubMed DOI

Kuba M. Kraus T. Pohl R. Hocek M. Chem. – Eur. J. 2020;26:11950–11954. doi: 10.1002/chem.202003192. PubMed DOI PMC

Manna S. Sarkar D. Srivatsan S. G. J. Am. Chem. Soc. 2018;140:12622–12633. doi: 10.1021/jacs.8b08436. PubMed DOI PMC

Nuthanakanti A. Ahmed I. Khatik S. Y. Saikrishnan K. Srivatsan S. G. Nucleic Acids Res. 2019;47:6059–6072. doi: 10.1093/nar/gkz419. PubMed DOI PMC

Wee W. A. Yum J. H. Hirashima S. Sugiyama H. Park S. RSC Chem. Biol. 2021;2:876–882. doi: 10.1039/D1CB00020A. PubMed DOI PMC

Kuba M. Khoroshyy P. Lepšík M. Kužmová E. Kodr D. Kraus T. Hocek M. Angew. Chem., Int. Ed. 2023;62:e202307548. doi: 10.1002/anie.202307548. PubMed DOI

Güixens-Gallardo P. Hocek M. Chem. – Eur. J. 2021;27:7090–7093. doi: 10.1002/chem.202100575. PubMed DOI

Güixens-Gallardo P. Humpolickova J. Miclea S. P. Pohl R. Kraus T. Jurkiewicz P. Hof M. Hocek M. Org. Biomol. Chem. 2020;18:912–919. doi: 10.1039/C9OB02634G. PubMed DOI

Kuba M. Pohl R. Kraus T. Hocek M. Bioconjugate Chem. 2023;34:133–139. doi: 10.1021/acs.bioconjchem.2c00547. PubMed DOI

Dziuba D. Jurkiewicz P. Cebecauer M. Hof M. Hocek M. Angew. Chem., Int. Ed. 2016;55:174–178. doi: 10.1002/anie.201507922. PubMed DOI

Copp W. Karimi A. Yang T. Guarné A. Luedtke N. W. Chem. Commun. 2024;60:1156–1159. PubMed

Kumagai T. Kinoshita B. Hirashima S. Sugiyama H. Park S. ACS Sens. 2023;8:923–932. doi: 10.1021/acssensors.2c02617. PubMed DOI

Pivovarenko V. G. Klymchenko A. S. Chem. Rec. 2024;24:e202300321. doi: 10.1002/tcr.202300321. PubMed DOI

Ma J. Sun R. Xia K. Xia Q. Liu Y. Zhang X. Chem. Rev. 2024;124(4):1738–1861. doi: 10.1021/acs.chemrev.3c00573. PubMed DOI

Dziuba D. Methods Appl. Fluoresc. 2022;10:044001. doi: 10.1088/2050-6120/ac7bd8. PubMed DOI

Tokugawa M. Masaki Y. Canggadibrata J. C. Kaneko K. Shiozawa T. Kanamori T. Grøtli M. Wilhelmsson L. M. Sekine M. Seio K. Chem. Commun. 2016;52:3809–3812. doi: 10.1039/C5CC09700B. PubMed DOI

Kanamori T. Takamura A. Tago N. Masaki Y. Ohkubo A. Sekine M. Seio K. Org. Biomol. Chem. 2017;15:1190–1197. doi: 10.1039/C6OB01278G. PubMed DOI

Dziuba D. Pohl R. Hocek M. Chem. Commun. 2015;51:4880–4882. doi: 10.1039/C5CC00530B. PubMed DOI

Jacob F. Monod J. J. Mol. Biol. 1961;3:318–356. doi: 10.1016/S0022-2836(61)80072-7. PubMed DOI

Jain D. IUBMB Life. 2015;67:556–563. doi: 10.1002/iub.1401. PubMed DOI

Browning D. F. Busby S. J. Nat. Rev. Microbiol. 2004;2:57–65. doi: 10.1038/nrmicro787. PubMed DOI

Kunst F. Ogasawara N. Moszer I. Albertini A. M. Alloni G. Azevedo V. Bertero M. G. Bessières P. Bolotin A. Borchert S. Borriss R. Boursier L. Brans A. Braun M. Brignell S. C. Bron S. Brouillet S. Bruschi C. V. Caldwell B. Capuano V. Carter N. M. Choi S. K. Codani J. J. Connerton I. F. Cummings N. J. Daniel R. A. Denizot F. Devine K. M. Düsterhöft A. Ehrlich S. D. Emmerson P. T. Entian K. D. Errington J. Fabret C. Ferrari E. Foulger D. Fritz C. Fujita M. Fujita Y. Fuma S. Galizzi A. Galleron N. Ghim S. Y. Glaser P. Goffeau A. Golightly E. J. Grandi G. Guiseppi G. Guy B. J. Haga K. Haiech J. Harwood C. R. Hénaut A. Hilbert H. Holsappel S. Hosono S. Hullo M. F. Itaya M. Jones L. Joris B. Karamata D. Kasahara Y. Klaerr-Blanchard M. Klein C. Kobayashi Y. Koetter P. Koningstein G. Krogh S. Kumano M. Kurita K. Lapidus A. Lardinois S. Lauber J. Lazarevic V. Lee S. M. Levine A. Liu H. Masuda S. Mauël C. Médigue C. Medina N. Mellado R. P. Mizuno M. Moestl D. Nakai S. Noback M. Noone D. O’Reilly M. Ogawa K. Ogiwara A. Oudega B. Park S. H. Parro V. Pohl T. M. Portetelle D. Porwollik S. Prescott A. M. Presecan E. Pujic P. Purnelle B. Rapoport G. Rey M. Reynolds S. Rieger M. Rivolta C. Rocha E. Roche B. Rose M. Sadaie Y. Sato T. Scanlan E. Schleich S. Schroeter R. Scoffone F. Sekiguchi J. Sekowska A. Seror S. J. Serror P. Shin B. S. Soldo B. Sorokin A. Tacconi E. Takagi T. Takahashi H. Takemaru K. Takeuchi M. Tamakoshi A. Tanaka T. Terpstra P. Tognoni A. Tosato V. Uchiyama S. Vandenbol M. Vannier F. Vassarotti A. Viari A. Wambutt R. Wedler E. Wedler H. Weitzenegger T. Winters P. Wipat A. Yamamoto H. Yamane K. Yasumoto K. Yata K. Yoshida K. Yoshikawa H. F. Zumstein E. Yoshikawa H. Danchin A. Nature. 1997;390:249–256. doi: 10.1038/36786. PubMed DOI

Moreno-Campuzano S. Janga S. C. Pérez-Rueda E. BMC Genomics. 2006;7:147. doi: 10.1186/1471-2164-7-147. PubMed DOI PMC

Chai Y. Kolter R. Losick R. J. Bacteriol. 2009;191:2423–2430. doi: 10.1128/JB.01464-08. PubMed DOI PMC

Chiu K. C. Lin C. J. Shaw G. C. Microbiology. 2014;160:2178–2189. doi: 10.1099/mic.0.079806-0. PubMed DOI

İrigül-Sönmez Ö. Köroğlu T. E. Öztürk B. Kovács Á. T. Kuipers O. P. Yazgan-Karataş A. Microbiology. 2014;160:243–260. doi: 10.1099/mic.0.064675-0. PubMed DOI

Wang Y. Zhang C. Liu G. Ju J. Yu B. Wang L. Appl. Environ. Microbiol. 2019;85:e00672-19. doi: 10.1128/AEM.00672-19. PubMed DOI PMC

Aravind L. Anantharaman V. Balaji S. Babu M. Iyer L. FEMS Microbiol. Rev. 2005;29:231–262. doi: 10.1016/j.femsre.2004.12.008. PubMed DOI

Will W. R. Fang F. C. Curr. Opin. Microbiol. 2020;55:1–8. doi: 10.1016/j.mib.2020.01.002. PubMed DOI PMC

Jumper J. Evans R. Pritzel A. Green T. Figurnov M. Ronneberger O. Tunyasuvunakool K. Bates R. Žídek A. Potapenko A. Bridgland A. Meyer C. Kohl S. A. A. Ballard A. J. Cowie A. Romera-Paredes B. Nikolov S. Jain R. Adler J. Back T. Petersen S. Reiman D. Clancy E. Zielinski M. Steinegger M. Pacholska M. Berghammer T. Bodenstein S. Silver D. Vinyals O. Senior A. W. Kavukcuoglu K. Kohli P. Hassabis D. Nature. 2021;596:583–589. doi: 10.1038/s41586-021-03819-2. PubMed DOI PMC

Drozdetskiy A. Cole C. Procter J. Barton G. J. Nucleic Acids Res. 2015;43:W389–W394. doi: 10.1093/nar/gkv332. PubMed DOI PMC

Jain D. Nair D. T. Nucleic Acids Res. 2013;41:639–647. doi: 10.1093/nar/gks962. PubMed DOI PMC

Contreras-Moreira B. Nucleic Acids Res. 2010;38:D91–D97. doi: 10.1093/nar/gkp781. PubMed DOI PMC

Rennick J. J. Nowell C. J. Pouton C. W. Johnston A. P. R. Nat. Commun. 2022;13:6023. doi: 10.1038/s41467-022-33348-z. PubMed DOI PMC

Larouche K. Bergeron M.-J. Leclerc S. Guérin S. L. Biotechniques. 1996;20:439–444. doi: 10.2144/19962003439. PubMed DOI

Pan Z. Zhu T. Domagalski N. Khan S. Koepsel R. R. Domach M. M. Ataai M. M. Biotechnol. Prog. 2006;22:1451–1455. doi: 10.1021/bp060049u. PubMed DOI

Zorrilla S. Chaix D. Ortega A. Alfonso C. Doan T. Margeat E. Rivas G. Aymerich S. Declerck N. Royer C. A. Biochemistry. 2007;46:14996–15008. doi: 10.1021/bi701805e. PubMed DOI

Řezáčová P. Kožíšek M. Moy S. F. Sieglová I. Joachimiak A. Machius M. Otwinowski Z. Mol. Microbiol. 2008;69:895–910. doi: 10.1111/j.1365-2958.2008.06318.x. PubMed DOI PMC

Atmanene C. Chaix D. Bessin Y. Declerck N. Van Dorsselaer A. Sanglier-Cianferani S. Anal. Chem. 2010;82:3597–3605. doi: 10.1021/ac902784n. PubMed DOI

Šoltysová M. Škerlová J. Pachl P. Škubnik K. Fábry M. Sieglová I. Farolfi M. Grishkovskaya I. Babiak M. Nováček J. Krásný L. Řezáčová P. Nucleic Acids Res. 2024;52:7305–7320. doi: 10.1093/nar/gkae434. PubMed DOI PMC

Chaix D. Ferguson M. L. Atmanene C. Van Dorsselaer A. Sanglier-Cianferani S. Royer C. A. Declerck N. Nucleic Acids Res. 2010;38:5944–5957. doi: 10.1093/nar/gkq334. PubMed DOI PMC

Petersen K. J. Peterson K. C. Muretta J. M. Higgins S. E. Gillispie G. D. Thomas D. D. Rev. Sci. Instrum. 2014;85:113101. doi: 10.1063/1.4900727. PubMed DOI PMC

Stols L. Gu M. Dieckman L. Raffen R. Collart F. R. Donnelly M. I. Protein Expression Purif. 2002;25:8–15. doi: 10.1006/prep.2001.1603. PubMed DOI

Mueller U. Darowski N. Fuchs M. R. Förster R. Hellmig M. Paithankarm K. S. Pühringer S. Steffien M. Zocher G. Weiss M. S. J. Synchrotron Radiat. 2012;19:442–449. doi: 10.1107/S0909049512006395. PubMed DOI PMC

Sparta K. M. Krug M. Heinemann U. Mueller U. Weiss M. S. J. Appl. Crystallogr. 2016;49:1085–1092. doi: 10.1107/S1600576716004416. DOI

Kabsch W. Acta Crystallogr., Sect. D:Biol. Crystallogr. 2010;66:125–132. doi: 10.1107/S0907444909047337. PubMed DOI PMC

Diederichs K. Karplus P. A. Nat. Struct. Biol. 1997;4:269–275. doi: 10.1038/nsb0497-269. PubMed DOI

Karplus P. A. Diederichs K. Science. 2012;336:1030–1033. doi: 10.1126/science.1218231. PubMed DOI PMC

Brünger A. T. Nature. 1992;355:472–475. doi: 10.1038/355472a0. PubMed DOI

Vagin A. Teplyakov A. Acta Crystallogr., Sect. D:Biol. Crystallogr. 2010;66:22–25. doi: 10.1107/S0907444909042589. PubMed DOI

Winn M. D. Ballard C. C. Cowtan K. D. Dodson E. J. Emsley P. Evans P. R. Keegan R. M. Krissinel E. B. Leslie A. G. McCoy A. McNicholas S. J. Murshudov G. N. Pannu N. S. Potterton E. A. Powell H. R. Read R. J. Vagin A. Wilson K. S. Acta Crystallogr., Sect. D:Biol. Crystallogr. 2011;67:235–242. doi: 10.1107/S0907444910045749. PubMed DOI PMC

Yang J. Zhang Y. Nucleic Acids Res. 2015;43:W174–W181. doi: 10.1093/nar/gkv342. PubMed DOI PMC

Murshudov G. N. Skubák P. Lebedev A. A. Pannu N. S. Steiner R. A. Nicholls R. A. Winn M. D. Long F. Vagin A. A. Acta Crystallogr., Sect. D:Biol. Crystallogr. 2011;67:355–367. doi: 10.1107/S0907444911001314. PubMed DOI PMC

Potterton L. Agirre J. Ballard C. Cowtan K. Dodson E. Evans P. R. Jenkins H. T. Keegan R. Krissinel E. Stevenson K. Lebedev A. McNicholas S. J. Nicholls R. A. Noble M. Pannu N. S. Roth C. Sheldrick G. Skubak P. Turkenburg J. Uski V. von Delft F. Waterman D. Wilson K. Winn M. Wojdyr M. Acta Crystallogr., Sect. D:Biol. Crystallogr. 2018;74:68–84. doi: 10.1107/S2059798317016035. PubMed DOI PMC

Emsley P. Lohkamp B. Scott W. G. Cowtan K. Acta Crystallogr., Sect. D:Biol. Crystallogr. 2010;66:486–501. doi: 10.1107/S0907444910007493. PubMed DOI PMC

Emsley P. Cowtan K. Acta Crystallogr., Sect. D:Biol. Crystallogr. 2004;60:2126–2132. doi: 10.1107/S0907444904019158. PubMed DOI

Chen V. B. Arendall 3rd W. B. Headd J. J. Keedy D. A. Immormino R. M. Kapral G. J. Murray L. W. Richardson J. S. Richardson D. C. Acta Crystallogr., Sect. D:Biol. Crystallogr. 2010;66:12–21. doi: 10.1107/S0907444909042073. PubMed DOI PMC

Williams C. J. Headd J. J. Moriarty N. W. Prisant M. G. Videau L. L. Deis L. N. Verma V. Keedy D. A. Hintze B. J. Chen V. B. Jain S. Lewis S. M. Arendall W. B. Snoeyink J. Adams P. D. Lovell S. C. Richardson J. S. Richardson D. C. Protein Sci. 2018;27:293–315. doi: 10.1002/pro.3330. PubMed DOI PMC

L. L. C. Schrödinger, The PyMOL Molecular Graphics System, Version 1.2r3pre

Robert X. Gouet P. Nucleic Acids Res. 2014;42:W320–W324. doi: 10.1093/nar/gku316. PubMed DOI PMC