Caracterización del sistema regulador de dos componentes híbrido TolR en Azoarcus sp. CIB
Author
Martín Moldes, ZairaEntity
UAM. Departamento de Biología Molecular; CSIC. Centro de Investigaciones Biológicas (CIB)Date
2014-12-18Subjects
Compuestos aromáticos - Tesis doctorales; Biodegradación - Tesis doctorales; Biología y Biomedicina / BiologíaNote
Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Biología Molecular. Fecha de lectura: 18-12-2014Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
La biodegradación bacteriana de compuestos aromáticos requiere que las células
ajusten sus programas celulares para hacer frente al carácter dual de estos
compuestos, ya que, si bien son una fuente de carbono y energía para los
microorganismos, muchos de ellos son también un importante factor de estrés debido
a su carácter tóxico. En esta tesis se ha utilizado como sistema modelo de estudio la β -
proteobacteria Azoarcus sp. CIB, capaz de mineralizar tanto aeróbica como
anaeróbicamente numerosos compuestos aromáticos. El análisis detallado de su ruta
periférica de degradación anaeróbica de tolueno y m-xileno (genes bbs-bss), ha
revelado la presencia de un gen, denominado tolR, que no tiene homólogos en otros
organismos. Dicho gen codifica la proteína TolR que presenta una arquitectura
modular atípica, y que se corresponde con la de un nuevo miembro de los sistemas
reguladores de dos componentes híbridos (HTCSs), donde el componente histidín
quinasa sensora y el componente regulador de respuesta aparecen fusionados en un
único polipéptido.
Este trabajo ha demostrado que la proteína TolR es el primer HTCS que responde a
hidrocarburos aromáticos y cuyo dominio efector es una actividad enzimática. Su
mecanismo molecular de actuación implica la detección, a través de su dominio sensor
PAS, de hidrocarburos aromáticos que actúan como inductores, lo que activa una
cascada de autofosforilación y transferencia intramolecular del grupo fosfato desde el
dominio autoquinasa al dominio receiver, logrando así la activación de la región
efectora con actividad fosfodiesterasa de di-GMPc. La presumible disminución de los
niveles de di-GMPc en Azoarcus sp. CIB favorece la quimiotaxis anaeróbica hacia los
hidrocarburos aromáticos, y participa en la respuesta de resistencia tras la exposición a
concentraciones tóxicas de dichos hidrocarburos, siendo la primera vez que se
demuestra la participación del di-GMPc en la adaptación bacteriana a los
hidrocarburos aromáticos. Los resultados de los análisis transcriptómicos realizados
comparando la cepa parental Azoarcus sp. CIB con la cepa mutante en el gen tolR,
Azoarcus sp. CIBdtolR, confirman que TolR está implicado en una red de señalización
celular que controla los programas morfológico, metabólico y de estrés implicados en
la adaptación anaeróbica a los hidrocarburos aromáticos y en otros procesos que
condicionan el normal crecimiento anaeróbico en fuentes de carbono no aromáticas. Biodegradation of aromatic compounds requires that bacteria adjust their cellular
programs to cope with the dual character of such compounds, i.e., on the one side
they are an important carbon and energy sources but, on the other side, they behave
as stressors due to their toxic nature. In this thesis, we have used Azoarcus sp. CIB, a β -
proteobacterium that is able to mineralize both aerobically and anaerobically a wide
range of aromatic compounds, as model system. A detailed analysis of the bss-bbs
cluster, encoding the peripheral route for the anaerobic degradation of toluene, has
revealed the presence of a unique gene, tolR, that has no homologs in other
organisms. The TolR protein shows an atypical modular architecture which
corresponds to a new hybrid two-component system (HTCS), where the sensor
histidine-kinase and the response regulator components are fused together in a single
polypeptide.
This work has demonstrated that TolR is the first HTCS that responds to aromatic
hydrocarbons and whose response regulator has an enzymatic activity. The molecular
mechanism of action of TolR involves the detection of aromatic hydrocarbons
(inducers) through the PAS sensor domain. Then, an autophosphorylation and
intramolecular phosphotransfer from the autoquinase domain to the receiver domain
triggers the c-di-GMP phosphodiesterase activity of the efector domain. TolR
activation in anaerobic conditions involves decreased c-di-GMP levels, that lead to an
effective anaerobic chemotaxis towards aromatic hydrocarbons, and contribute to the
cell resistance response after exposure to toxic concentrations of aromatic
hydrocarbons. This is the first time that c-di GMP was shown to be involved in the
bacterial adaptation to aromatic hydrocarbons. Transcriptomic studies that compare
the wild-type Azoarcus sp. CIB strain and the tolR mutant Azoarcus sp. CIBdtolR strain,
confirm that TolR is involved in a signaling network that controls the morphological,
metabolic and stress response programs involved in the anaerobic adaptation to
aromatic hydrocarbons, as well as other processes responsible for the normal growth
in non-aromatic carbon sources.
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