Caracterización del Sistema Regulador de Dos Componentes Híbrido TolR en Azoarcus sp. CIB

Abstract

[EN]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 b- 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.

[ES]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 b- 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.