Iniciación de la replicación del plásmido promiscuo pMV158: interacciones macromoleculares en el origen de replicación

Abstract

Los plásmidos bacterianos son moléculas extracromosómicas de DNA bicatenario (dsDNA) que son capaces de replicar de forma autónoma y controlada. Los plásmidos bacterianos están implicados en la diseminación de información en el medio ambiente gracias a su capacidad para introducirse en nuevos huéspedes mediante una variedad de mecanismos, por lo que podemos considerar que constituyen un reservorio de DNA extracromosómico compartido entre diferentes poblaciones. La gran cantidad de información genética contenida en los plásmidos, su impacto en las comunidades microbianas, y el potencial de estos elementos para actuar como vectores de clonaje naturales, ha estimulado la investigación en la biología plasmídica, no sólo a nivel fundamental, sino también desde el punto de vista clínico, biotecnológico y medioambiental. Para desempeñar su función, los plásmidos se han provisto de diferentes estrategias para su replicación que explican tres propiedades plasmídicas esenciales: control del número de copias, dependencia y rango de huésped, y respuesta a condiciones ambientales. Los plásmidos naturales varían considerablemente en tamaño (desde unos cientos de pares de bases [bp] hasta cientos de kilobases [kb]), en rango de bacterias huéspedes (desde una a varias especies), y en la variedad de rasgos genéticos que confieren a sus hospedadores (resistencia a antibióticos o a metales pesados, factores de patogenicidad, degradación de compuestos aromáticos, resistencia a radiación UV, etc.). Con independencia del tamaño del plásmido, los genes y las secuencias necesarias para la replicación plasmídica y su control están agrupados en una región denominada replicón básico. Normalmente, el replicón básico no supera las 3 kb y está formado por: (i) un origen de replicación (ori); (ii) genes cop/inc implicados en el control de la iniciación de la replicación y, en la mayoría de los casos, (iii) uno o varios genes rep que codifican proteínas Rep necesarias para iniciar la replicación, y que a menudo participan en su propia regulación.

A pesar del conocimiento acumulado sobre la replicación plasmídica, sólo se han estudiado con detalle un número limitado de replicones. Los plásmidos circulares utilizan dos estrategias generales para facilitar la carga y el ensamblaje del complejo multiproteico o replisoma en el origen de replicación. Estas estrategias suponen ya sea la apertura de la doble cadena de DNA en una región del origen rica en bases A + T (replicación tipo theta), o la introducción de un corte específico de secuencia y de cadena que relaja el DNA y genera un extremo 3’-OH que se usa como cebador para iniciar la replicación [replicación tipo círculo rodante (RCR)]. Nuestro conocimiento sobre la replicación tipo theta proviene del estudio de plásmidos aislados, en su mayoría, de bacterias Gram-negativas, como ColE1, pSC101, P1, F, R6K, R1, RK2/RP4, o del plásmido RSF1010 (que usa el mecanismo relacionado de replicación por desplazamiento de cadena). Sin embargo, la replicación por círculo rodante (descrita inicialmente para bacteriófagos de cadena sencilla) se ha observado en un gran número de plásmidos pequeños y con múltiples copias aislados de bacterias Gram-positivas. Estudios recientes han identificado plásmidos que replican por círculo rodante en bacterias Gram-negativas y en Arquea, así como plásmidos tipo theta en bacterias Gram-positivas, lo que sugiere una distribución más amplia de los dos mecanismos de replicación que la previamente asumida (del Solar et al., 1993a; del Solar et al., 1998). La característica que mejor define a los plásmidos es que replican de manera autónoma y autorregulada. Un plásmido concreto, en un determinado huésped bajo unas condiciones de crecimiento definidas, se mantiene con un número de copias característico. Esto implica que, en términos generales, antes de cada división celular el número de copias del plásmido debe duplicarse. Los plásmidos son capaces de detectar y corregir las fluctuaciones con respecto a su número característico de copias. De las tres etapas de la replicación (iniciación, elongación y terminación), es en la iniciación cuando todos los plásmidos estudiados hasta ahora controlan su número de copias mediante el uso de sistemas específicos de control negativo (Novick, 1987). Los principales sistemas inhibidores son de tres tipos: pequeños RNA contra- transcritos (ctRNAs), repeticiones directas de DNA (o iterones), y la acción combinada de una proteína represora y un ctRNA (del Solar et al., 1998). El efecto inhibidor de los ctRNAs se debe a su apareamiento con la región complementaria de un RNA que se sintetiza tomando como molde la cadena de DNA opuesta y que es necesario para la iniciación de la replicación (ya sea como mRNA de rep, o como RNA cebador). La función de los iterones es más compleja, ya que constituyen un sitio de unión para las proteínas Rep, y son esenciales tanto para la iniciación como para la regulación de la replicación. El control negativo de los plásmidos con iterones se realiza a tres niveles: autorregulación de la proteína Rep, titulación de la proteína Rep, disminuyendo su disponibilidad, y desactivación del origen por el mecanismo de “handcuffing”. En el tercer sistema existen dos elementos que actúan en trans, una proteína represora que inhibe la transcripción de los genes de replicación, y un ctRNA que actúa sobre el mRNA de rep inhibiendo su traducción por la interacción directa con el sitio de unión a ribosomas, o bien favoreciendo su terminación prematura mediante la formación de terminadores de la transcripción.

La capacidad de algunos plásmidos de atravesar la llamada “barrera genética” entre diferentes microorganismos ha suscitado una serie de preguntas sobre los mecanismos generales que controlan la replicación, y sobre la comunicación entre los componentes replicativos del plásmido y los que proporciona el huésped. Aunque los plásmidos son capaces de controlar de forma autónoma la frecuencia de iniciación de su replicación, dependen de la maquinaria replicativa de la célula hospedadora para el ensamblaje del replisoma y las siguientes etapas de elongación y terminación. Esto implica la existencia de una comunicación adecuada entre los factores específicos del plásmido y los del huésped, incluyendo: (i) una transcripción y traducción equilibrada de los genes implicados en la replicación y su control; (ii) unos niveles de superenrollamiento adecuados, y (iii) la interacción apropiada con las proteínas del tipo histona (HU, IHF, y FIS) implicadas en la curvatura del DNA y la carga y ensamblaje del replisoma. La interacción plásmido-huésped ha atraído la atención de los investigadores por sus implicaciones evolutivas y medioambientales. Además, el rango de huésped tiene claras implicaciones en microbiología clínica y biotecnología. La mayoría de los plásmidos de bacterias Gram-negativas (como ColE1, pSC101, P1, F, R6K, y R1) han resuelto el problema de la interacción plásmido/huésped con un número limitado de huéspedes muy relacionados entre sí. Otros plásmidos, como los que pertenecen a los grupos de incompatibilidad IncP-1 (RK2/RP4) e IncQ (RSF1010), han desarrollado diferentes estrategias que les permiten extenderse a la mayoría de los huéspedes Gram-negativos y a alguna bacteria Gram-positiva. Estos plásmidos que exhiben un rango de huésped amplio son denominados plásmidos promiscuos. En bacterias Gram-positivas, la mayoría de los plásmidos que replican por los mecanismos RC y theta presentan un rango de huésped entre medio y alto, y son capaces de establecerse en varias bacterias Gram positivas y negativas no relacionadas entre sí. Los tipos de replicación conocidos basan sus diferencias en el mecanismo de iniciación de la replicación y en las distintas estructuras que adoptan los intermediarios de replicación. Existen tres mecanismos generales de replicación de plásmidos circulares: tipo theta, por desplazamiento de cadena, y círculo rodante.Replicación por el mecanismo tipo theta. Este mecanismo de replicación se ha estudiado en detalle entre los plásmidos circulares prototipo de bacterias Gram negativas, aunque la replicación tipo theta también se ha descrito en plásmidos aislados de bacterias Gram-positivas del grupo estreptococal/estafilococal Inc18 (Bruand et al., 1991), en algunos replicones de lactococos (Kiewiet et al., 1993), y al menos en un plásmido de Bacillus subtilis (Meijer et al., 1995). La replicación del DNA por este mecanismo implica la apertura de las dos hebras parentales, la síntesis de un RNA cebador (pRNA), y la iniciación de la síntesis de DNA por extensión del pRNA (Kornberg and Baker, 1992). La síntesis de DNA es continua en una de las cadenas (cadena líder) y discontinua en la otra (cadena retrasada), aunque durante la elongación la síntesis de ambas cadenas está acoplada (Figura 1). La replicación tipo theta puede empezar desde uno o varios orígenes, y puede ser uni- o bidireccional.