Bases moleculares de la regulación transcripcional de la ruta de degradación del ácido 3-hidroxifenilpropiónico en Escherichia coli

Abstract

Escherichia coli es un microorganismo paradigmático desde el punto de vista genético y bioquímico. Puede ser comensal del intestino de animales de sangre caliente, así como patógeno de los sistemas digestivo, urinario, pulmonar y nervioso (Savage, 1977; Peekhaus y Conway, 1998; Prieto et al., 2004). E. coli puede colonizar fácilmente diferentes hábitats extracorpóreos tales como el suelo o el agua, e incluso se ha encontrado dentro de protozoos (Neidhardt, 1996; Barker et al., 1999; Prieto et al., 2004). De hecho, es un microorganismo muy adaptable que dispone de un amplio repertorio de genes metabólicos y reguladores que posibilitan la colonización de una gran variedad de ambientes aeróbicos y anaeróbicos (Neidhardt, 1996; Dougan et al., 2001; Prieto et al., 2004). Los compuestos aromáticos constituyen el segundo grupo de compuestos orgánicos más ampliamente distribuido en la naturaleza. Aunque algunos de estos compuestos son recalcitrantes o tóxicos para la gran mayoría de microorganismos, las bacterias han desarrollado una maquinaría genética y bioquímica que les permite utilizar los compuestos aromáticos como única fuente de carbono y energía (Widdel y Rabus, 2001; Lovley, 2003). Los compuestos aromáticos constituyen una fuente de carbono para E. coli en su hábitat extraintestinal. Aunque aún se desconoce el conjunto de sustratos que E. coli encuentra en el intestino grueso y las rutas que le confieren una ventaja metabólica para competir con otras bacterias con las que comparte el mismo hábitat, es probable que los compuestos aromáticos presentes en el intestino animal sean también una fuente de carbono frecuente para E. coli (Díaz et al., 2001; Prieto et al., 2004). Todas las estirpes de E. coli ensayadas hasta la fecha crecen utilizando como únicas fuentes de carbono y energía compuestos aromáticos como son: el ácido 3-fenilpropiónico (PP), el ácido 3-(3-hidroxifenil)propiónico (3HPP) o el ácido 3-hidroxicinámico (3HCI) (Tabla 1). La estirpe K-12 puede catabolizar además ácido fenilacético (PA) pero no sus derivados 3-hidroxifenilacético (3HPA) y 4-hidroxifeniacético (4HPA) (Tabla 1), a diferencia de las estirpes B y C que pueden metabolizar estos últimos pero no PA (Tabla 1). La estirpe W puede degradar tanto PA como sus derivados hidroxilados, así como otros derivados aromáticos, por lo que parece estar especialmente capacitada para la mineralización de este tipo de compuestos

Burlingame y Chapman, 1983; Díaz et al., 2001). Ninguna de las cepas ensayadas hasta la fecha ha sido capaz de degradar 2-hidroxifenilacético (2HPA), ácido cinámico (CI) y sus derivados hidroxilados en posiciones 2 ó 4, ni los derivados hidroxilados de PP en posiciones 2 ó 4 (Burlingame y Chapman, 1983; Prieto et al., 2004). Tanto como bacteria hospedador-dependiente como organismo de vida libre, E. coli se enfrenta a fluctuaciones en la disponibilidad de nutrientes y, por tanto, los genes implicados en la maquinaria catabólica están sometidos a varios tipos de controles fisiológicos que ajustan sus niveles de expresión a las condiciones ambientales (Galán et al., 2001; Prieto et al., 2004). Las proteínas reguladoras específicas y los promotores que ellas regulan son los elementos principales que permiten la transcripción de operones catabólicos sólo cuando se requieren y a unos niveles que garanticen un adecuado recambio metabólico cuando el sustrato es abundante y puede servir como nutriente (Figs. 1 y 2). Además, existen circuitos reguladores globales que se superponen a los mecanismos de regulación específicos que le permiten dar una respuesta metabólica adecuada a la presencia del sustrato específico de manera coordinada con los estados metabólico y fisiológico de la bacteria en cada momento . En la regulación específica de las rutas catabólicas de compuestos aromáticos descritas en E. coli participan cuatro activadores transcripcionales (HpaA, MaoB, MhpR y HcaR) y tres represores transcripcionales (HpaR, su homólogo HpcR, y PaaX) . Todas estas proteínas tienen su propia molécula efectora. Además, su estructura primaria y, particularmente, sus motivos de reconocimiento de DNA difieren entre ellos, y por ello estas proteínas reguladoras pertenecen a diferentes familias de proteínas reguladoras, a excepción de HpaA y MaoB, que pertenecen a la misma familia. Estos hechos explican la gran diversidad y evolución divergente que existe en los sistemas reguladores que controlan el catabolismo de compuestos aromáticos en E. coli