Regulación global : respuestas al estrés ambiental

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 (σs) 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
σs 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.