Most noncoding small RNAs (sRNAs) are known to base pair with target mRNAs and regulate mRNA stability or translation to trigger various changes in the cell metabolism. Among them, RyeA and SdsR is a sRNA pair sharing same intergenic region (IGR) in the opposite strand with reciprocal expressions. The SdsR sRNA is emerged during the stationary phase and represses multiple target mRNAs. However, it was not known whether the growth-phase-dependent regulation of SdsR is important for cell growth. Here, it was found that ectopically expressed SdsR during the exponential phase led to a significant and Hfq-dependent cell death with accompanying cell filamentation. It was alleviated by overexpression of RyeA, suggesting that SdsR/RyeA is a novel type of toxin-antitoxin (T/A) system where both the toxin and the antitoxin are sRNAs. Through the RNA-seq and the seed region analysis for the SdsR-driven cell death, the SdsR-driven cell death was found to be mainly caused by the SdsR-mediated repression of yhcB encoding an inner membrane protein.
Next, following the 3’-end of sdsR, pphA, encoding Ser/Thr phosphatase, exists of which the promoter appears upstream of sdsR. It is not known how RyeA and SdsR synthesis are regulated each other in phase and how this regulation affect pphA expression. To study this, the primary transcripts and the mutual regulation of RyeA and SdsR were examined. Also, RNA-seq with ryeA and sdsR mutant strains at exponential and stationary phase was performed and the change of mRNA levels were analyzed. It was found that RyeA and SdsR degrade each other, and pphA are co-transcribed from the sdsR promoter Transcription of both SdsR and pphA are inhibited by transcriptional interference (TI) of RyeA. Therefore, this study summarized the functional discovery of toxin-antitoxin of SdsR-RyeA sRNA pair and the mechanism of transcriptional biosynthesis of these and adjacent mRNA.
대장균에는 백 여가지 이상의 비부호화 작은 RNA들 (sRNA) 이 존재하며, 이들은 표적 mRNA들과 염기쌍을 형성하여 이들의 안정성이나 번역을 조절함으로써 다양한 세포 내 대사 변화에 관여하고 있다. 그 중에서도 RyeA와 SdsR은 상보적인 가닥에서 상호 유전자 발현 영역 (IGR)을 공유하는 sRNA 쌍이다. SdsR sRNA는 정지 단계에서 출현하고 다중 표적 mRNA를 억제한다. 그러나 SdsR의 성장기 의존성 조절이 세포 성장에 중요한지 여부는 알려지지 않았다. 여기에서, 지수 적 단계 동안 외인성으로 발현 된 SdsR이 세포 필라멘트화 및 용해를 수반하는 현저한 Hfq 의존성 세포사를 유발한다는 것이 밝혀졌다. 이 현상은 RyeA의 과발현으로 완화됨을 관찰하였다. 따라서 SdsR / RyeA sRNA쌍은 독소 - 항 독소가 모두 sRNA 인 새로운 유형의 독소 - 항 독소 (T / A) 시스템임을 시사한다. SdsR에 의해 유도 된 세포 사멸에 대한 RNA-seq 및 표적 mRNA와의 염기쌍을 형성할 것으로 예상되는 영역의 전산상의 분석을 통해, SdsR에 의해 유도 된 세포 사멸은 주로 내막 단백질을 코딩하는 yhcB의 SdsR- 매개 된 억제에 의해 유발되는 것으로 밝혀졌다. 다음으로, 전사체 상에서 sdsR의 3'- 말단 다음에, Ser / Thr 포스파타제인 PrpA 단백질을 암호화하는 pphA가 존재하며, 그 프로모터는 sdsR의 상류에 나타나는 것으로 알려져 있다. 한편, RyeA와 SdsR 합성이 어떻게 서로간에 조절되는지, 이 조절이 가까운 곳에 위치한 pphA의 발현에 어떻게 영향을 주는지는 알려져 있지 않았다. 이를 연구하기 위해 먼저 RyeA와 SdsR의 1차 전사체를 규명하였고 성장기에 따른 상호 규제를 조사했다. 또한 ryeA 및 sdsR 전사체 상 각각의 돌연변이 균주를 이용하여 지수 및 고정상에서의 RNA-seq을 수행하였고 야생형과 비교했을 때 mRNA들의 수준 변화를 분석 하였다. 그 결과, RyeA와 SdsR은 서로 분해되고 pphA는 sdsR 프로모터로부터 SdsR과 동시에 전사됨을 발견 하였다. 메커니즘 연구를 통해 SdsR과 pphA의 전사는 RyeA의 전사 간섭 (TI)에 의해 저해된다는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구는 SdsR-RyeA sRNA 쌍의 독소 - 항독소라는 새로운 기능과 이들 및 인접 mRNA의 전사 생합성 메커니즘을 규명했다.
