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¿Podemos diseñar sistemas de expresión que respondan a señales ambientales predeterminadas? Reguladores a la carta

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¿Podemos diseñar sistemas de expresión que respondan a

señales ambientales predeterminadas?

Reguladores a la carta

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The transcriptional regulator XylR

A (receptor)

B interdomain

ATP binding

C (activation) D HTH

DNA binding in Pu y Ps

COOHNH2

211 233

Recognition and binding of aromatic effectors

ATP hydrolysisMultimerizationContacts with 54

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R

R

XylR active

B

D

A

C

XylR inactive

Intramolecular repressionSpecific A-C interactions

Binding to A domainRelease of repression

Activation of XylR in response to inducers

R

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B

D

A

C

Regulators á la carte: can we change at will the effector specificity of XylR?

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The B domain of XylR: a coiled coil?

A C D

B/Q linker

1 211 472233 514 554

CN

566

208 236

(XylR16-1) DP HHHR (XylR3H)

IVDE RYELQTQ VANLRNR LKQYDGQ YYGIG

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Native inducer

XylR

BA

C

OH4

phenolF

CH3

7

4-FBA

CH3

Cl

8

4-ClBA

CH3

11

1-methyl

13

biphenyl

CH3-(CH2)6-CH3

14

octane

CH3

CH3

m-xileno

2

5

benzene

NH2

6

aniline

CH3

NO2

9

4-NT

10

naphthalene

CH3

12

2-methyl

CH3

Cl

3-Cl tol

3

Suboptimal inducers

Non-inducers

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0

5

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

BC

MAD16-1, XylR16-1

Inducer compounds

0

5

10MAD1, XylR

BA

cti

vity

Pu

(-

Ga

l, x

10

3)

Effects of 16-1 mutation in the B domain of XylR

A

A

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B

D

A

C

Can we change the effectorspecificity of XylR?

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R

R

Non naturalinducers

XylRactive

Generation of regulators á la carte

D

AB

C

XylRinactive

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Structural prediction

The A domain of XylR

Genetic approach: generation of diversity

1 211

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CH3

NO2

D

AB

C

XylR

CH3

NO2

CH3

NO2

toluene m-xylene

2-NT 3-NT 4-NT biphenyl

p-xylene

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3

Native inducers

New inducers

Page 12: ¿Podemos diseñar sistemas de expresión que respondan a señales ambientales predeterminadas? Reguladores a la carta

Reshaping the effector pocket of the A domain

A

CH3

CH3

generation

of diversity

R

R

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1. Preparation of target DNA2. Digestion DNase I (30-300 bp)

3. PCR without oligonucleotides

4. PCR with oligonucleotides

Generation of diversity through mutation-prone shuffling of homologous A domains

XylR A domainDmpR A domain TbuT A domain

Family of similarDNA sequences

Page 14: ¿Podemos diseñar sistemas de expresión que respondan a señales ambientales predeterminadas? Reguladores a la carta

Genetic screening

Elimination ofNon productivecombinations

Selection ofnew activecombinations

Shuffled A domains

Pool of A domainvariants

Shuffling of A domains of XylR-like activators

XylR A domainDmpR A domain TbuT A domain

Family of similarDNA sequences

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The genetic tricks

• Positive selection

• Negative selection

• Visual screening

• Phenotypical characterisation

Po npt (km)

Po sacB

Po luxAB

Pu lacZ

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Cloning vector

pCon918

A C DPr

NdeI SnaBI

ligation E. coli XL1 colony poolP. putida KT2440

Po-Km/Po-sacB

Growthon plates

Conjugation

M9 succ Km + new effector

A domain Shuffling libraryNdeI/SnaBI

Sucrose

Plasmid extraction

P. putida KT2440 Po-luxAB Light emission

Genetic screening/selection

No Km

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3-nt decanal test assayLB+3NT

LB+3NT

no inducer

no inducer

C-

C-

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XylR 1

XylR 2

XylR 3

XylR 4

XylR 5

XylRwt

no inducer m-xylene phenol benzene

XylR 1

XylR 2

XylR 3

XylR 4

XylR 5

XylRwt

2-nt 3-nt 4-nt biphenyl

Visualization of effector-specificity changes

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Sequence analysis of hybrid regulators

XylR1

XylR5

XylR DmpR

1 V124A 161-166 220

XylR2

F65L

XylR3

46-50

XylR4

L184I

161-166

Page 20: ¿Podemos diseñar sistemas de expresión que respondan a señales ambientales predeterminadas? Reguladores a la carta

In vivo activity of hybrid regulators m

-xile

nobe

ncen

o0

2

4

6

8

2 3 4 5 6 7 8 91XylR wt

no in

d-

feno

l

2-N

T3-

NT

4-N

Tbi

feni

lo 0

2

4

6

8

XylR12 3 4 5 6 7 8 91

no in

d-

feno

l

2-N

T3-

NT

4-N

Tbi

feni

lo 0

2

4

6

8

XylR22 3 4 5 6 7 8 91

no in

d-m

-xil

feno

lbe

nc2-

NT

3-N

T4-

NT

bife

nilo

0

2

4

6

8

XylR32 3 4 5 6 7 8 91

no in

d-m

-xil

feno

lbe

nc2-

NT

3-N

T4-

NT

bife

nilo

no in

d-m

-xil

feno

lbe

nc2-

NT

3-N

T4-

NT

bife

nilo0

2

4

6

8

XylR42 3 4 5 6 7 8 91

0

2

4

6

8

XylR52 3 4 5 6 7 8 91

no in

d-m

-xil

feno

lbe

nc2-

NT

3-N

T4-

NT

bife

nilo

m-x

ilbe

nc

m-x

ilbe

nc

Pro

mote

r act

ivit

yr

Pu

(b

-Gal, x

10

3)

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(Apparent) affinity assays

0

2

4

6

8

110-4 10-3 10-2 10-1

XylR wt

XylR2XylR1

0

2

4

6

8

XylR2XylR1

3-MBA (mM) 3-NT (mM)

Pro

mote

r act

ivit

y P

u (

b-G

al, x

10

3)

XylR wt

110-4 10-3 10-2 10-1

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Inhibition by 3-NT

0

1

2

3

4

5

6

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

3-NT (mM)

3-MBA 1 mM

XylR wt

Pro

mote

r act

ivit

y P

u (

b-G

al, x

10

3)

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Structural prediction for the A domain of XylR

Grupo de Diseño de Proteínas-CNB

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Contact surfaces protein/effector

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Mapping structural changes in the model

XylR2

F65L

XylR3

46-50

XylR5

161-166

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XylR2

F65L

XylR3

46-50

XylR5

161-166

Mapping structural changes in the model

Page 27: ¿Podemos diseñar sistemas de expresión que respondan a señales ambientales predeterminadas? Reguladores a la carta

XylR2

F65L

XylR3

46-50

XylR5

161-166

Mapping structural changes in the model

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XylR1

XylR4

V124A

L184I

Mapping structural changes in the model

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XylR1

XylR4

V124A

L184I

Mapping structural changes in the model

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XylR wt

XylR5XylR4

XylR1

XylR3

XylR2

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Loops involved in the effector pocket

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Conclusions

• Mutants XylR1 to XylR5 bear changes that unlock the ability of XylR to respond to many non-natural effectors

• The changes involve not only the shape of the effector pocket, but also the structural transmission caused by inducer binding

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Para ver esta película, debedisponer de QuickTime™ y de

un descompresor Microsoft Video 1.

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