Estudios genómicos y funcionales en Anaplasma marginale y en bacterias intracelulares de la clase alfa-proteobacteria y su relación con la reducción del genoma

Tesis para obtener el grado de Doctor en el área de Ciencias Biológicas, de la Universidad de Buenos Aires, en 2012

La subdivisión α- de la clase proteobacteria representa un grupo sumamente diverso y heterogéneo de bacterias con una gran variabilidad en sus características genómicas, biológicas y ecológicas. Dentro de esta subdivisión se encuentra el orden Rickettsiales que ha cobrado gran importancia durante los últimos años por agrupar a diversos patógenos emergentes que resultan relevantes para la salud pública y salud animal. Entre ellos, se destaca Anaplasma marginale, causante de la Anaplasmosis bovina enfermedad transmitida por garrapatas que tiene gran impacto sobre la actividad ganadera en nuestro país. Es importante concentrar esfuerzos en comprender mejor las preguntas: ¿Qué tienen en común y en qué difieren estos organismos en términos de información en el genoma y en su biología? ¿Podemos identificar y explicar las diferencias en sus capacidades de adaptación en términos del contenido génico y la conservación de la estructura y función de determinados mecanismos moleculares? Este trabajo se centra en aspectos inmunológicos, funcionales y evolutivos tomando como modelo a A. marginale y analizando comparativamente organismos relacionados del orden Rickettsiales en el contexto de la clase α-proteobacteria. La caracterización del conjunto de proteínas de membrana externa y de los sistemas de secreción representa un desafío importante por ser los principales blancos de interacción de las bacterias con las células hospedadoras y con las células del sistema inmune. Este estudio permitió la identificación de dos proteínas en A. marginale con capacidad antigénica que fueron capaces de estimular una respuesta inmune específica. Estudios futuros permitirán verificar experimentalmente la localización superficial, como también corroborar su potencialidad como antígenos protectivos en nuevas formulaciones de vacunas racionales. La caracterización del sistema de secreción de proteínas “Twin Arginine translocación pathway (Tat)” aporta nueva información acerca de la funcionalidad del sistema en dos patógenos de gran relevancia: A. marginale y B. abortus. A pesar de que sistema Tat en A. marginale presentan una organización genómica fragmentada, se pudo demostrar la conservación de su funcionalidad en este organismo. Esta organización se opone a la estructura clásica en operon bajo una única secuencia regulatoria característica de la mayoría de los sistemas proteicos multi-componentes. Asimismo, en A. marginale la diferencia de los niveles de abundancia de ARNm de cada uno de los genes correlaciona con los niveles de proteínas descriptos para complejos funcionales, sugiriendo la existencia de una adaptación a mecanismos de regulación alternativos gen-específicos. Las bacterias intracelulares estrictas tendrían un uso limitado del sistema Tat, mientras que organismos de vida libre y bacterias del suelo presentarían un uso moderado a alto. Sin embargo, tanto en A. marginale como en B. abortus el sistema Tat podría estar involucrado en procesos relevantes de adaptación y patogénesis. Los procariotas coordinan la transcripción de genes involucrados en complejos metabólicos o de proteínas mediante la organización de operones. En la actualidad,existen diferentes hipótesis acerca de las fuerzas que rigen estos procesos de organización, tanto para determinar su origen como los mecanismos de mantenimiento de este tipo de estructura. A partir de la fragmentación del operon tat y la adaptación a mecanismos de regulación gen-específicos, como así también de otros casos descriptos recientemente en la literatura, surgió la hipótesis de la existencia de un proceso generalizado de fragmentación de operones en organismos asociados a ambientes intracelulares con genomas reducidos en tamaño. En tal sentido, fue posible comprobar que en las α-proteobacterias de genomas pequeños tanto el número como el largo de los operones era menor en comparación con bacterias de genomas también pequeños pero pertenecientes a otros grupos. Este comportamiento observado en las α-proteobacterias sería compatible con un proceso generalizado de fragmentación. Estos resultados se explicarían teniendo en cuenta que los procesos de reducción genómica se describieron como procesos evolutivos independientes en los diferentes linajes. Del análisis de las diferentes propiedades de los genes presentes en operones en diversos grupos filogenéticos se pudo detectar tanto resultados que reflejan diversidad como patrones consistentes y conservados. La mayor frecuencia de fragmentación supone el incremento de regiones de regulación gen-específicas en genomas de tamaño reducido, y/o en genes bajo escasa presión de selección, como se observa para los genes menos persistentes, de baja expresión y no-esenciales. La aparición de mecanismos de control gen-específico versus un control concertado en operón estaría fuertemente influenciado por los procesos de mutación, selección y deriva. Dada la diversidad de la clase y la complejidad de procesos que afectan y determinan la organización de los cromosomas, el conocimiento acerca de los mismos ayudará a conocer los procesos celulares, moleculares que subyacen a la diversidad. Aspiramos a que los estudios realizados en la tesis aporten al conocimiento general de los organismos del orden Rickettsiales para avanzar en la caracterización de un grupo de bacterias que requiere más atención y estudio como patógenos emergentes de amplia distribución.

The α-proteobacteria class represents an extremely diverse and heterogeneous group of bacteria with a high variability in their genomic, biological and ecological features. The order Rickettsiales has become more important over the last years, since it groups together emerging pathogens that are relevant to human and animal health. Among them, Anaplasma marginale is the etiological agent of bovine Anaplasmosis, an infectious tick-borne disease that highly impacts on livestock farming activity in our country. It is important to focus efforts to better understand the following questions: what do these organisms have in common and in what do they differ, taking into account their genome and biology? Can we identify and explain the differences in their adaptive capacities in terms of genetic content, structure and functionality conservation of molecular mechanisms? This work focus on immunological, functional and evolutionary topics based on A. marginale in comparison with related organisms from the order Rickettsiales in the context of the α-proteobacteria class. The characterization of the set of outer membrane proteins and secretion systems represents a significant challenge, since they are the main targets of interaction of bacteria with host cells and the immune system, and also can be responsible of the export of virulence factors. This study allowed the identification of two novel proteins with antigenic capacities in A. marginale which were able to stimulate a specific immune response. Future studies will allow to verify their surface location, as well as their potential as protective antigens in new vaccine formulations. The characterization of protein secretion system "Twin Arginine translocation pathway (Tat)" provides new information on the functionality of the system in two relevant pathogens: A. marginale and B. abortus. The functionality of the Tat system was demonstrated in A. marginale, irrespective of the genomic and regulatory divergence relative to the classical operon organization under unique regulatory sequence. Difference in the abundance of mRNA levels which correlated with the protein levels described for functional complexes suggests the existence of alternative adaptive mechanisms by gene-specific regulation. Pathogenic intracellular bacteria would have a limited usage of the Tat system, while free-living organisms and soil bacteria could have a moderate to high usage. However, in both pathogens analyzed in this study, the Tat system could be involved in several adaptive or pathogenic mechanisms. Prokaryotes usually coordinate transcription of genes involved in metabolism or protein complexes through the organization of operons. Nowadays, different hypotheses are under discussion about the forces that govern these organizations, both regarding the origin and maintenance of this type of structure. Considering the tat operon fragmentation as well as other cases recently described in the literature, we hypothesized the existence of a more generalized operon fragmentation event in small genome organisms associated with intracellular lifestyles. In this regard, the α- proteobacteria showed less usage and length of operons supporting a generalized fragmentation process, while the opposite pattern was observed in small genomes from other groups. These results could be explained considering that genome reduction events were described as independent evolutionary processes in different lineages.The analysis of the different genes features and phylogenetic groups let us detect abundant diversity as well as consistent and conserved patterns among groups. The highest operon fragmentation frequency involves the increase of gene-regulatory regions in small genomes and/or in operons of genes with lower adaptive value as it is observed for non-persistent, lowly-expressed and non-essential genes. This suggests that gene-specific mechanisms versus operon organization are strongly shaped by mutation, selection and genetic drift. Considering the diversity and complexity of the events that affect the organization of bacterial chromosomes, a better understanding of chromosome organization will help to understand the cellular and molecular mechanisms underlying diversity. We believe this thesis contribute to the overall knowledge of organisms of the Rickettsiales order, making it possible to improve the characterization of a bacterial group that requires more attention and study as emerging pathogens widely distributed.

Instituto de Biotecnología

Fil: Nuñez, Pablo Alfredo. Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA). Instituto de Biotecnología; Argentina