The role of the Crc/Hfq/CrcZ-CrcY global regulatory system on the regulation of metabolic and cellular processes in Pseudomonas putida
Author
La Rosa, RuggeroAdvisor
Rojo, FernandoEntity
UAM. Departamento de Biología Molecular; CSIC. Centro Nacional de Biotecnología (CNB)Date
2015-09-28Funded by
Este trabajo se ha realizado gracias a una beca predoctoral de la Fundación “La CaixaSubjects
Pseudomonas - Tesis doctorales; Biología y Biomedicina / BiologíaNote
Tesis doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Biología Molecular. Fecha de lectura: 28-09-2015Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
Metabolically versatile bacteria have evolved diverse strategies to adapt and to colonize different
environments and niches. This ensures high fitness and the ability to withstand changing
surrounding conditions and diverse kinds of stresses. These abilities rely on a varied genetic
repertoire and on complex regulatory networks that integrate external and internal signals,
providing efficient responses. Pseudomonas putida possesses a large genome and a remarkable
metabolic and physiologic versatility, with several regulatory networks that assure metabolic
responses for surviving in a wide variety of environments. One of the main regulatory networks
that serve to optimize metabolism, growth speed and cellular fitness is the so-called Carbon
Catabolite Repression (CCR). This regulatory mechanism ensures that, when mixtures of carbon
sources are available at sufficient concentrations, those with higher energetic yield are preferentially
assimilated, limiting the use of those that are less preferred. This process allows a
hierarchical and sequential assimilation of the carbon sources available, optimizing metabolism
and the overall fitness. In P. putida, the Crc and Hfq proteins and the CrcZ and CrcY small
RNAs are key components of CCR. The Crc and Hfq proteins work together to inhibit the translation
of some mRNAs that present an A-rich sequence, named CA motif, located close to the
ribosome binding site. In turn, Crc/Hfq action is antagonised by the CrcZ and CrcY sRNAs. The
levels of these two sRNAs are low in media that generate high CCR conditions and increase
significantly when CCR decreases; it is believed that the function of these sRNAs is to bind the
Hfq protein, perhaps together with Crc, sequestering them when their effects are not necessary.
The work described in this thesis expands our knowledge on the influence of CCR, and in
particular of the Crc/Hfq/CrcZ-CrcY system, in shaping P. putida metabolism according to
environmental conditions. The results presented illustrate the role of the Crc regulator in controlling
several metabolic processes. We have determined the hierarchy of assimilation of organic
acids and amino acids when cells grow in a complex medium, where CCR is strong, and
the role of the Crc protein in regulating this process. We have also clarified the influence of the
Crc regulator in balancing the carbon fluxes through central metabolic pathways under mild
CCR conditions, optimizing metabolism. Moreover, we have shown that the Crc/Hfq/CrcZCrcY
regulatory network can modulate the synthesis of polyhydroxyalkanoates, which are important
storage compounds, thus balancing carbon flow. The influence of the Crc protein in the
synthesis of polyhydroxyalkanoates extends the role of this regulator beyond that of repressing
the uptake and assimilation of non-preferred carbon sources Las bacterias que tienen un metabolismo versátil han desarrollado diversas estrategias para
adaptarse a diferentes ambientes, y colonizarlos. Entre ellas destaca la capacidad de resistir condiciones
ambientales cambiantes y diversos tipos de estrés, características que confieren una
elevada eficacia biológica. Pseudomonas putida tiene una gran versatilidad metabólica y fisiológica,
características que derivan de un genoma grande cuya expresión está controlada por
diversas redes de regulación global que aseguran respuestas adecuadas frente a señales fisiológicas
y del medio ambiente. Esto facilita su supervivencia en condiciones y ecosistemas muy
variados. Una de las redes de regulación más importantes para optimizar el metabolismo, la
velocidad de crecimiento y la eficacia biológica es la llamada represión catabólica. Este mecanismo
regulador asegura que, cuando las células disponen de diversas fuentes de carbono en
concentraciones suficientes, se metabolicen preferentemente aquellas que facilitan un mejor
rendimiento energético, limitando el uso de otros compuestos menos preferidos. Este proceso
regulador permite una asimilación secuencial y jerárquica de las fuentes de carbono disponibles,
optimizando el metabolismo y la capacidad competitiva de la bacteria. En P. putida, las proteínas
Crc y Hfq, y los RNAs pequeños CrcZ y CrcY, son componentes clave de la represión catabólica.
Crc y Hfq trabajan juntas para inhibir la traducción de determinados mRNAs que tienen
una secuencia rica en adeninas (llamada motivo CA) en la región de inicio de la traducción. Los
RNAs pequeños CrcZ y CrcY regulan la acción de Crc y Hfq, actuando como antagonistas. Los
niveles de estos dos RNAs son bajos en situaciones que generan una fuerte represión catabólica,
pero aumentan significativamente cuando la represión disminuye. Se piensa que la función de
CrcZ y CrcY es unir la proteína Hfq, quizá junto con Crc, secuestrándolas cuando su efecto no
es necesario.
El trabajo que se describe en esta tesis aporta información nueva sobre la influencia de
la represión catabólica, y en particular del sistema Crc/Hfq/CrcZ-CrcY, en la adaptación del
metabolismo de P. putida a condiciones ambientales cambiantes. Los resultados obtenidos ilustran
la función de la proteína reguladora Crc en el control de varios procesos metabólicos. Hemos
analizado la jerarquía de asimilación de diversos ácidos orgánicos y aminoácidos cuando la
célula crece en un medio rico, en el que la represión catabólica es muy fuerte, y la función de
Crc en este proceso. También hemos clarificado la influencia del regulador Crc en el balance de
los flujos de metabolitos a través de las rutas metabólicas centrales, optimizando el metabolismo
cuando las células crecen en condiciones en las que la represión catabólica es moderada. Además,
mostramos que el sistema regulador Crc/Hfq/CrcZ-CrcY puede modular la síntesis de polihidroxialcanoatos,
que son compuestos de reserva importantes. En conjunto, los resultados
implican que este sistema regulador no solo controla el transporte y asimilación de fuentes de
carbono, sino que influye en todo el proceso del flujo de compuestos carbonados
Files in this item
Google Scholar:La Rosa, Ruggero
This item appears in the following Collection(s)
Related items
Showing items related by title, author, creator and subject.
-
Regulation of PTS systems and their interplay with central carbon metabolism in Pseudomonas putida
Chavarría Vargas, Max
2011 -
Regulation of gene expression by the cAMP-Crp system in the soil bacterium Pseudomonas putida
Arce Rodríguez, Alejandro
2012