Mecanismos de activación transcripcional durante la diferenciación de los heterocistos en la cianobacteria modelo anabaena sp. Pcc 7120

Abstract

Las cianobacterias conforman un grupo de microorganismos caracterizados por un modo de vida fotoautotrófico en el que evolucionó la fotosíntesis oxigénica. Actualmente, las cianobacterias son importantes productores primarios en los océanos, y por tanto juegan un papel crucial en los ciclos biogeoquímicos del carbono y del nitrógeno en nuestro planeta. Algunas cianobacterias son capaces de desarrollar complejos procesos de diferenciación celular para adaptarse a los cambios que se producen en su ambiente. La diferenciación celular es un proceso por el que una célula se especializa, adquiriendo capacidad de desarrollar ciertas funciones y dejando de desarrollar otras. Estos procesos de diferenciación celular son parte esencial de los procesos de desarrollo que se producen en organismos multicelulares; en este sentido, algunas cianobacterias constituyen un modelo simple, ideal para estudiar los mecanismos moleculares que gobiernan estos procesos. Entre los procesos de diferenciación de cianobacterias, merecen una especial atención la diferenciación de unas células especializadas en la fijación del nitrógeno atmosférico, denominadas heterocistos, que se produce como respuesta a la deficiencia de nitrógeno combinado en algunas cianobacterias filamentosas (Wolk et al., 1994; Flores y Herrero, 2010). En las estirpes de Anabaena y Nostoc, los heterocistos se diferencian a intervalos semi regulares a lo largo del filamento, conformando una auténtica bacteria multicelular, con diferentes tipos de células especializadas en distintas tareas nutricionales, que intercambian nutrientes y reguladores y contribuyen al crecimiento del filamento como un organismo unitario (Flores y Herrero, 2010). La diferenciación de heterocistos a partir de células vegetativas conllevan unos drásticos cambios morfológicos y metabólicos, que están sustentados en un programa específico de expresión génica. Un componente crucial de este programa es una secuencia temporal de eventos de activación que permiten la expresión de algunos genes estructurales y reguladores específicos de los heterocistos. Dos reguladores tienen papeles clave en la activación de la transcripción durante la diferenciación: el factor de transcripción global NtcA y el factor específico de la diferenciación HetR. NtcA pertenece a la familia de los reguladores transcripcionales bacterianos tipo CRP (proteína receptora de AMP cíclico), que activa, y en algunos casos reprime, genes en respuesta a la limitación de nitrógeno. NtcA se une al DNA en sitios de secuencia específica conteniendo el consenso GTAN8TAC que está presente en los promotores regulados. La unión de NtcA al DNA se incrementa por la interacción con 2 oxoglutarato (2-OG), una señal metabólica de la deficiencia de nitrógeno. Aunque se sabe que HetR tiene cierta capacidad de interacción con el DNA in vitro, uniéndose por delante de algunos promotores regulados, todavía no se ha determinado una secuencia consenso precisa para su unión en estos promotores, y se desconoce el mecanismo exacto por el cual influye en la expresión génica durante el proceso de diferenciación de heterocistos. Una característica reseñable de algunos promotores caracterizados, que están involucrados en la diferenciación y función de los heterocistos es que poseen regiones promotoras complejas con múltiples promotores. Éstos incluyen promotores consenso activados por NtcA (los cuales no requieren HetR), promotores consenso tipo sigma 70, y un tipo especial de promotores que dependen in vivo de NtcA y HetR pero que no muestran ninguna característica reconocible, tan solo en algunos casos una posible caja -10. La expresión de estos promotores dependientes de HetR tiene lugar exclusivamente en las células que se están diferenciando, jugando un importante papel en la activación de genes específicos del proceso de diferenciación. El objetivo principal que nos planteamos al comienzo de este trabajo fue el estudio de los diferentes mecanismos de activación transcripcional que operan durante la diferenciación de los heterocistos de las cianobacterias.