The reactive α-oxoaldehydes such as glyoxal (GO) and methylglyoxal (MG) are generated in vivo from sugars through oxdative stress. GO and MG are believed to be removed from cells by glutathione-dependent glyoxalases and other aldehyde reductases. We isolated a number of GO-resistant mutants from the E. coli strain MG1655 on LB plates containing 10 mM GO. By tagging the mutations with the transposon TnphoA-132 and by determining their co-transductional linkages, we were able to identify two loci where GO resistance $(GO^R)$ mutations were mapped. DNA sequencing of the loci revealed that one of the loci is yqhC gene, which is predicted to encode an AraC-type transcriptional regulator of unknown function, and the other is nemRA operon, which were previously reported to encode a repressor and the N-ethylmaleimide reductase, respectively. In partⅠ, the GO missense mutations were found in predicted regulatory region of YqhC protein, thereby constitutively activating the product of the adjacent gene yqhD. Functions of YqhC and YqhD were further characterized as a transcriptional activator of yqhD that is inducible by GO and as a NADPH-dependent aldehyde reductase that converts GO to 1,2-ethandiol via glycolaldehyde, respectively. In partⅡ, the GO resistance mutations are located in nemR binding site in 5’UTR of nemRA opreon or inframe region of nemR. The mutations enhance both nemA and gloA, encoding glyoxalaseⅠ located downstream of nemA. It was demonstrated that the GO resistance is dependent on gloA but not on nemA, and gloA is expressed as part of the nemRA operon. In addition, it was shown that NemA catalyzes quinone, playing on important role in electron transfer and redox regulation, to quinol using NADPH. GO and quinone dissociates NemR from DNA and derepress nemRA-gloA operon. Intracellular ratio of quinone to quinol was altered in mutants that have different expression levels of NemA, and physiological changes of quinones and glyoxals are associated such that GO treatment results in an oxidation of quinone, while quinone-deficiency caused by ubiE mutation results in GO susceptibility. From these results, we propose that cell has a cytosolic system, consisting of nemRA-gloA operon (renamed hereafter as eseRAB, electrophile-sensing), for reducing electrophiles, especially quinones and glyoxals, to maintain appropriate intracellular redox balance.
Glyoxal (GO) 과 methylglyoxal (MG) 는 반응성 알데하이드 물질로서 생체내에서 당의 산화를 통해 생성된다. 이러한 GO와 MG는 glutathione 을 이용하는 glyoxalase 시스템과 NAD(P)H를 이용하는 알데하이드 환원효소에 의해 해독화 된다. 본 연구에서는 GO에 내성을 보이는 돌연변이 균주들을 분리하였다. TnphoA-132 트랜스포존 삽입과 co-transduction linkage 분석을 통하여 GO에 대해 내성을 부여하는 돌연변이의 위치를 좁혔으며, DNA 염기 서열 분석을 통하여 최종적으로 돌연변이를 찾았다. 돌연변이 균주들은 두 가지 종류로 분류 되었으며, 각각의 돌연변이는 아직 기능이 알려지지 않은 AraC-type의 전사 조절인자인 yqhC 유전자와 N-ethylmaleimide 환원효소와 그 억제 조절인자를 암호화하는 nemRA 오페론의 5’-UTR에서 발견 되었다. YqhC 단백질의 N 말단 영역의 전사 조절 부위에서 missense 돌연변이가 발견되었고, 이로 인해 근접하게 위치하고 있는 YqhD 알데하이드 환원효소의 발현을 항상 활성화되었다. YqhC는 YqhD 의 전사 활성화 인자로 기능을 하며, GO에 의해 YqhD의 발현이 유도된다. YqhD 단백질은 NADPH를 이용하여 GO를 glycolaldehyde 에서 1,2-ethandiol로 환원 시켜 GO의 해독화에 기여한다. 또 다른 돌연변이는 nemRA 오페론의 5’-UTR 영역의 NemR 억제인자 결합 부위에 위치하여 NemR 단백질과 DNA간의 결합력을 약화 시킨다. 그 결과 nemA와 그 하위에 위치하는 gloA 유전자 모두를 과발현 된다. GloA는 glyoxalaseⅠ을 암호화하고 있는 유전자이며 GO 내성은 전적으로 gloA의 과발현에 기인한다. NemA 단백질은 NADPH를 이용하는 quinone 환원효소로 알려져 있으며, quinone은 세포내에서 전자전달체로 주요한 기능을 한다. NemR은 GO 와 quinone 과 같은 친전자성 물질에 의해 DNA에 대한 결합력이 조절 되며, GO와 quinone 은 세포내에서 서로 긴밀하게 관련이 있음을 확인하였다. 따라서 nemRA-gloA 오페론이 GO와 quinone 를 인지하고 환원시킴으로서 친전자성 물질로 인해 야기되는 세포 내 산화-환원 스트레스를 조절한다. 본 연구 결과를 근거로 nemRA-gloA을 친전자성 물질의 조절 오페론 eseRAB (electrophile-sensing)으로 명명한다.
