Post-transcriptional regulation mediated by 3’-UTRs in bacteria

The presence of regulatory elements in the 3’ untranslated region (3’-UTR) of eukaryotic mRNAs controlling RNA stability and translation efficiency is widely recognized. In contrast, the relevance of 3’-UTRs in bacterial mRNA functionality has been disregarded. Here, we report evidences showing that around one-third of the mapped mRNAs of the major human pathogen Staphylococcus aureus carry 3’-UTRs longer than 100-nt and thus, potential regulatory functions. We also found that most of the long 3’-UTR ends in a Rho-independent transcriptional terminator. Based on this information, it is possible to predict 3’-UTRs in any bacteria. Thus, we analysed 25 genomes and found that 3’-UTRs longer than 100-nt are broadly distributed in prokaryotes. To evaluate the role that 3’-UTRs may play in controlling mRNA expression, we selected the long 3’-UTR of icaR mRNA, which encodes the repressor of the main exopolysaccharidic compound of the S. aureus biofilm matrix. We showed that base pairing between the 3’-UTR and the Shine-Dalgarno (SD) region of icaR mRNA interferes with the translation initiation complex and generates a double-stranded substrate for RNase III. We also unveiled that the icaR 5’-UTR controls the 5’-3’-UTRs interaction in response to temperature. At environmental temperature (23ºC), a three way-helical junction structure, generated by pairing of internal sequences from 5’-UTR and ORF regions, impairs the 5’-3’-UTR interaction, causing the accumulation of IcaR repressor and the inhibition of biofilm development. In contrast, at the human body temperature (37ºC), this structural conformation opens allowing the interaction of the 5’- and 3’- UTRs that inhibited IcaR translation leading to biofilm production. Our findings provide a singular example of a new potential post-transcriptional regulatory mechanism to modulate bacterial gene expression in response to temperature shifts through the interaction of a 3’-UTR with the 5’-UTR of the same mRNA.

En organismos eucariotas, la presencia de elementos reguladores en las regiones 3’ no traducidas (3’-UTRs) del RNA mensajero (mRNA), que controlan su estabilidad y la eficiencia de su traducción, está ampliamente reconocida. En cambio, la posible relevancia de las 3’-UTRs como elementos funcionales de los mRNAs bacterianos ha sido menospreciada. En esta Tesis Doctoral, se presentan evidencias que muestran que un tercio de los mRNAs de Staphylococcus aureus, uno de los patógenos más importantes a nivel mundial, contienen 3’-UTRs mayores de 100 nucleótidos (nt) de largo y, por lo tanto, con capacidad para albergar funciones reguladoras. Además, se vio que la mayoría de estas 3’-UTRs incluyen un terminador de transcripción Rho-independiente. Basados en esta información, fue posible predecir las 3’-UTRs en otras bacterias. Así, mediante el análisis de 25 genomas, se muestra que las 3’-UTRs largas están ampliamente distribuidas en el mundo procariota. Con el fin de evaluar el rol que las 3’-UTRs pueden ejercer en el control de la expresión de los mRNAs, se seleccionó la 3’-UTR larga del mRNA de icaR, que codifica para el represor de la síntesis de principal exopolisacárido de la matriz del biofilm de S. aureus. Se descubrió que una región de esta 3’- UTR hibrida con una región de la 5’-UTR que incluye la secuencia Shine- Dalgarno. Como resultado de esta interacción, se crea una región de RNA de cadena doble que bloquea la formación del complejo de iniciación de la traducción y que, además, es reconocida por la endoribonucleasa RNase III que digiere este dúplex de RNA, promoviendo la degradación del mRNA de icaR. Además, se descubrió que cambios conformaciones en la estructura de la 5’-UTR controlan la interacción con la 3’-UTR en respuesta a la temperatura. A 23ºC (temperatura ambiental), una región de la 5’-UTR hibrida con una zona de la región codificante (ORF) generando una estructura secundaria cerrada de tres horquillas que impide la interacción con la 3’-UTR, lo que causa la acumulación de la proteína IcaR y, en consecuencia, la inhibición de la formación del biofilm. En cambio, a 37ºC (temperatura del hospedador) esta conformación estructural se abre permitiendo la interacción entre la 5’- y la 3’-UTR, inhibiendo la traducción de IcaR y facilitando la formación de biofilm. En resumen, esta Tesis Doctoral muestra un nuevo mecanismo de regulación post-transcripcional que modula la expresión génica en respuesta a cambios en la temperatura ambiental, a través de la modificación de la interacción entre dominios de RNA codificados tanto en la 3’-UTR como en la 5’-UTR de una misma molécula de mRNA.

Para la realización de este trabajo el doctorando ha disfrutado de una beca para la Formación de Personal Investigador (FPI) asociada al proyecto BIO2008-05284-C02-01 del Ministerio de Educación y Ciencia. Otros proyectos de investigación que han contribuido en la realización de este trabajo han sido: 1) Functional genomic characterization of molecular determinants for staphylococcal fitness, virulence and drug resistance, VI Programa Marco UE (LSHM-CT-2006, 019064); 2) Global analysis of antisense regulatory mechanisms in Staphylococcus aureus, ERANET Pathogenomics (PIM2010EPA-00606); Análisis de la regulación post-transcripcional mediada por proteínas de unión a RNA en Staphylococcus aureus. Ministerio de Economía y Competitividad (BFU2011-23222).

Programa Oficial de Doctorado en Biotecnología (RD 1393/2007)

Bioteknologiako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007)