Estudio de la conservación de las proteínas implicadas en el compromiso para esporular y su distribución en bacterias

RESUMEN La esporulación en Bacillus subtilis (B. subtilis) es un sistema de desarrollo que implica la diferenciación de dos tipos celulares llamados prespora y célula madre. La limitación de nutrientes y la densidad celular inducen la acumulación de altas concentraciones del factor transcripcional Spo0A-P descrito como el regulador maestro de la esporulación. Spo0A-P controla la expresión del factor F específico de la prespora y el factor E especifico de la celula madre. El programa de diferenciación de una espora se regula mediante la ultrasensibilidad de activación de factores sigma y circuitos de retroalimentación positiva. La progresión de la esporulación es reversible y ruidosa hasta el punto del compromiso, esto permite que las células inicien la esporulación pero pospongan por un mayor tiempo la decisión de compromiso. El punto en el que la bacteria se compromete a esporular se determina en la etapa II, donde se requiere la activación de los factores sigma SigF y SigE, para activar proteínas de señalización y reguladoras necesarias para promover las etapas subsecuentes. Después de la división asimétrica la célula madre y la prespora expresan un programa genético diferente, pero cada célula mantiene su propia membrana así como una comunicación constante entre ambas células. Se ha descrito que parte de la comunicación intercelular se realiza por medio del ensamble de un canal que cruza ambas membranas y que se ha propuesto sirve como un tubo de alimentación por el cual la célula madre nutre a la pre-espora. La formación del tubo de alimentación necesita al menos nueve proteínas en Bacillus subtilis para su formación, ocho proteínas SpoIIIA (SpoIIIAA-AH) bajo control de células madre y a la proteína SpoIIQ que está bajo el control de la célula hija. Otras proteínas descritas que interactúan con el canal son SpoIIDMP, GerM y SpoIIB, que en Bacillus subtilis también son cruciales para el engullimiento. Un estudio realizado mediante genómica comparativa en 72 genomas totalmente secuenciados sugieren que las proteínas codificadas en el operón spoIIIA, así como las proteínas del complejo SpoIIDMP, pueden ser considerados como firmas genómicas. En este trabajo, proponemos determinar la distribución y prevalencia de las proteínas que forman el tubo de alimentación, las proteínas del complejo SpoIIDMP, y las proteínas SpoIIB y GerM, que se propone interactúan con el canal y determinar si estás son firmas genómicas de esporulación al evaluarlas en los Firmicutes actualmente secuenciados. Para comprobar esta hipótesis empleamos perfiles de proteínas con los que se construyeron arquitecturas de dominio que sirvieron para inspeccionar 4852 proteomas de bacterias completamente secuenciadas. Las arquitecturas identificadas fueron filtradas usando el contexto genómico que rodea cada secuencia identificada para definir ortólogos probables. Esto nos sirvió para evaluar a 953 Firmicutes, las cuales fueron sometidas a un proceso de curación manual para determinar su fenotipo Resumen 11 como esporulante o no esporulante. Los ortólogos probables encontrados en un compendio de especies de esporulación curadas manualmente se distribuyeron heterogéneamente entre las clases filogenéticas, pero se distribuyeron casi homogéneamente en géneros específicos. Los Firmicutes no esporulantes conservaron la arquitectura Spo0A y, en algunos casos, las arquitecturas del compromiso de esporular definidas como firmas genómicas, lo que sugiere que no una proteína sino la concurrencia de proteínas que definen una ruta de esporulación debería considerarse un mejor descriptor de una firma genómica. Finalmente, las proteínas en la ruta Spo involucradas en el compromiso de esporular se predijeron en Ruegeria sp. NKC1-1, una Alphaproteobacteria no esporulante. Sugerimos que una transferencia horizontal podría ser el origen de los genes Spo en esta especie si es clasificada correctamente.

ABSTRACT Sporulation in Bacillus subtilis (B. subtilis) is a development system that involves the differentiation of two cell types called prespore and stem cell. Nutrient limitation, cell density, induced the accumulation of high concentrations of the master regulator Spo0A-P, transcription factor described being the master regulator of sporulation. The progression of sporulation is reversible and noisy to the point of commitment. Regulatory mechanisms as ultra-sensitivity and positive feedback modulate the differentiation program from a spore. Once the commitment decision is made, it has been proposed that an irreversible destination is generated. The point at which the bacterium commits to sporulate is determined in stage II, where the activation of the sigma factors SigF and SigE it is required, to activate signal and regulatory proteins, necessary to promote the following stages. Following asymmetric division, the mother cell engulfs the forespore, leaving it surrounded by two bilayer membranes. During the engulfment process, an essential channel apparatus is thought to cross both membranes to create a direct conduit between the mother cell and forespore. At least nine proteins in Bacillus subtilis are necessary for channel formation, including SpoIIQ under forespore control and the eight SpoIIIA proteins (SpoIIIAA to -AH) under mother cell control. Other proteins described to interact with the channel are SpoIIDMP, GerM, and SpoIIB, which in Bacillus subtilis are also crucial to the engulfment. Comparative genomic studies suggest that the spoIIAA operon, as well as SpoIIDMP complex, are considered genomic signatures. In this work, we propose to determine the distribution and prevalence of the proteins forming the feeding tube, the SpoIIDMP complex proteins, and the SpoIIB and GerM proteins, which are proposed to interact with the channel and determine if these are genomic sporulation signatures at evaluate them in Firmicutes currently sequenced. To test this hypothesis we use protein profiles with which domain architectures were built that served to inspect 4852 proteomes of fully sequenced bacteria. The identified architectures were filtered using the genomic context surrounding each hit to identify probable orthologs, which were mainly confined in 953 Firmicutes. Probable orthologs found in a compendium of manually curated sporulating species were heterogeneously distributed among phylogenetic classes but almost homogeneously distributed into specific genera. Nonsporulating Firmicutes conserved the Spo0A architecture and, in some cases, architectures of the commitment to sporulate defined as genomic signatures, suggesting that not one protein but the cooccurrence of proteins defining a sporulating pathway should be considered a better descriptor of a genomic signature. Finally, proteins in the Spo path involved in the commitment to sporulate were predicted in Ruegeria sp. NKC1-1, a nonsporulating Abstract 13 Alphaproteobacteria. We suggest that a horizontal transfer could be the origen of the Spo genes in this species if it is correctly classified.