Regulación global : respuestas al estrés ambiental
Regulación génica durante la fase estacionaria Curva de crecimiento típica de una población bacteriana Fase lag: Adaptación a la nueva situación. Fase exponencial: g cte, crecimiento balanceado. Número de células aumenta en proporción a los componentes celulares (ADN, ARN, proteína). Fase estacionaria: inducida por depleción en sustratos que promueven el crecimiento. Los parámetros celulares dejan de incrementarse a igual velocidad. La células pierden la capacidad para reproducirse. Fase de muerte: pérdida de viabilidad, lisis celular.
Las bacterias inducen mecanismos de supervivencia frente a condiciones que inducen la detención del crecimiento (ej. limitación de nutrientes): - Cambios morfológicos y metabólicos. Ej. E. coli. - Desarrollo de esporas. Ej. Bacillus subtilis
Cambios morfológicos y metabólicos en E. coli luego de la entrada en fase estacionaria - Reducción en tamaño celular. Se completan los ciclos de replicación ADN/ div. celular en ausencia de posterior crecimiento. Degradación del material endógeno. Forma esférica. - Autofagia. Autodigestión del material endógeno (membrana, pared). Aumento de la proteólisis - Aumento en la oxidación de proteínas - Reducción de la actividad metabólica: Reducción en la producción y actividad del aparato respiratorio aeróbico. Ej. enzimas del ciclo de Krebs. Evitar producción de ROS Disminución en la síntesis de proteínas y ARN - Síntesis de proteínas específicas: resistencia general al estrés.
Cómo están regulados estos procesos?? RpoS (σ s ) es el factor específico de la fase estacionaria en E.coli. Se acumula y regula > 50 genes en condiciones de hambreado y otros estreses. Algunos ej.: catalasa, reparación del ADN, genes metabolismo del C, bacteriocinas, genes de virulencia. Regulación del σs por diferentes estreses σ s cumple un rol análogo a la familia de factores σ que participan en la formación de esporas en B. subtilis
Respuesta estricta (stringent response) en las bacterias Se produce en condiciones de estrés nutricional (aa, ac. grasos y otros). Descripta inicialmente en bacterias Gram negativas (E. coli) frente al hambreado de aa. Ej, en laboratorio, cuando las bacterias son transferidas de un medio rico a un medio mínimo.
El ARNt descargado se une al ribosoma en sitio A, la proteína Rel A (asociada al ribosoma) cataliza la producción de una mezcla de dos nucleótidos regulatorios referidos como (p)ppgpp, a partir de ATP+ GTP. (p)ppgpp es un factor clave en la fisiología bacteriana, se acumula rápidamente en respuesta a diversos estreses apagando el crecimiento y propiciando procesos de defensa y adaptación celular. La producción de (p)ppgpp no ha sido descripta en las arqueas.
Metabolismo del (p)ppgpp en E. coli El ppgpp se produce por dos vías paralelas frente al hambreado y estrés (falta de precursores y/o de energía para biosíntesis). Las bacterias Gram positivas (Bacillus sp, Streptococcus sp) carecen de SpoT pero poseen varios homólogos de Rel A que percibirían diferentes señales del medio.
ppgpp se une a la ARN pol. cerca del sitio activo (subunidades B y B ) y redirecciona la transcripción de genes relacionados con el crecimiento a genes de resistencia al estrés y hambreado.
(p)ppgpp regula la transcripción, replicación y traducción DksA es necesaria para el efecto in vivo del (p)ppgpp sobre la transcripción de ARNr y operones de la biosíntesis de aa.
ppgpp es un regulador global en E. coli Fenotipos relacionados con la deficiencia en ppgpp Si bien se lo caracterizó inicialmente como una molécula efectora involucrada en la regulación de la síntesis de ARNr frente a la limitación de aa, hoy se sabe que el (p)ppgpp regula numerosos procesos fisiológicos en las bacterias.
Regulación de la esporulación en Bacillus subtilis Proceso de diferenciación celular que se induce en algunas bacterias frente a situaciones de estrés. Por división celular asimétrica se generan dos compartimentos: - Pre-espora (endospora) - Célula madre. Por lisis libera la endospora La espora es metabólicamente inactiva y resistente a estreses ambientales. Cambios morfológicos durante la esporulación. σa y σh son específicos de células en crecimiento. La esporulación está basada en un programa de regulación transcripcional mediante la producción y activación de varios factores σ alternativos, específicos para cada compartimento celular.
La esporulación en B. subtilis es inducida por factores ambientales y fisiológicos: - Limitación de nutrientes (disminución de GTP?) - Densidad celular (quorum sensing) - Síntesis de ADN (si se inhibe replicación, no se produce esporulación) Spo0 phosphorelay : sensores (KinA, KinB); RR (Spo0F, A) fosfotransferasa (Spo0B); fosfatasas (RapA, B, SpoOE)
Red de regulación que controla la síntesis y activación de los factores σ durante la esporulación en B. subtilis Spo0A-P reprime genes del crecimiento vegetativo y activa esporulación Existe intercambio de señales entre los dos compartimentos. Los mecanismos que controlan la activación de los factores σ aseguran que los genes se expresen en el tiempo y célula apropiadas.
Técnicas para el análisis global de la expresión génica
Análisis del transcriptoma celular Conjunto de ARNm sintetizados en un momento dado. Comparación del transcriptoma celular en diferentes condiciones mediante DNA microarrays
Análisis del perfil de proteínas celulares (proteoma) mediante Electroforesis 2D e identificación por Espectrometría de masas El perfil de péptidos trípticos de la proteína desconocida se compara con los perfiles de proteínas de identidad conocida en una base datos de proteínas.
Confirmación de la predicción de un operón. Zhou 2006
Referencias Stationary phase physiology. T. Nystrom. Ann. Rev. Microbiol. (2004), 58:161-81. Control of bacterial transcription, translation and replication by (p)ppgpp. A. Srivatsan and J. Wang. Curr. Opin. In Microbiol. (2008), 11:110-105.