Estudi del genoma de Streptomyces coelicolor A3(2)

Marcel·la Vidal GabarróMòdul Genòmica i Proteòmica

Màster en Biotecnologia Avançada, UABJuny 2011

Continguts de la presentació Introducció al microorganisme

Descripció Característiques generals Cicle vital

Importància de la seqüenciació del seu genoma

Estructura del genoma Com es va seqüenciar? Característiques del genoma Comparació amb dos microorganismes: Mycobacterium

tuberculosis i Conerybacterium diphtheriae

Estudi del proteoma Característiques del proteoma

Conclusions

Introducció al microorganisme

El gènere Streptomyces pertany a la família Streptomycetaceae, dins l’ordre Actinomicetals.

Bacteris grampositius d’alt contingut en G+C.

El seu hàbitat natural és el sòl. En aquest hàbitat en són els més nombrosos i ubiquos.

Ampli rang metabòlic per a degradar nombroses substàncies.

Capaços de degradar substàncies com la lignocel·lulosa o la quitina.

Importants pel reciclatge del carboni al sòl.

Shephard et al.

Descripció. Característiques generals

Introducció al microorganisme

Cicle vital complex.

1. Germinació de l’espora que forma un tub germinal.

2. Formació d’una matriu hifal que donarà lloc al micel·li. Cèlules no septades, multinucleades.

3. Inici de la degradació de nutrients que serviran per desenvolupar el micel·li aeri.

4. Enrotllament de les hifes.

5. Formació de septes que donen lloc a les espores. Cèl·lules uninucleades.

Descripció. Cicle vital

Hopwood et al.

Introducció al microorganisme

És el productor de 2/3 dels antibiòtics naturals utilitzats en medicina i veterinària.

Importància de la seqüenciació del seu genoma

Hopwood et al.

Introducció al microorganisme

Productor d’altres substàncies interessants per a la indústria com:

Agents antitumorals Immunosupressors Herbicides Insecticides Antiparàsits Antifúngics Etc.

Importància de la seqüenciació del seu genoma

Hopwood et al.

Hopwood et al.

Introducció al microorganisme

Interessant i complex metabolisme secundari i sistema de secreció.

Proper filogenèticament als microorganismes causants de la tuberculosi i de la lepra (Mycobacterium tuberculosis i Mycobacterium leprae).

Comparació genomes d’un microorganisme GRAS i d’un microorganisme causant d’una malaltia.

Extracció de conclusions i predicció dels possibles gens causants de la virulència d’aquests microorganismes.

Importància de la seqüenciació del seu genoma

Introducció al microorganisme

La seqüenciació del genoma de Streptomyces coelicolor A3(2) va ser publicada a Nature el Maig del 2002.

Importància de la seqüenciació del seu genoma

Estructura del genoma

Seqüenciació de 325 clons solapats: 305 còsmids. 1 plasmidi terminal pLUS221. 19 clons seleccionats d’entre 3456 BACs.

Predicció proteïnes BLAST “all-against-all”.

Composició de les famílies ClustalW.

Com es va seqüenciar?

Estructura del genoma

Cromosoma lineal.

OriC situat al centre del cromosoma.

Seqüències terminals repetides invertides (TIRs) als extrems que porten proteïnes unides covalentment als extrems 5’ lliures.

Replicació bidireccional.

Característiques del genoma

Estructura del genoma

Mida total: 8.667.507 bp. Gairebé el doble del genoma d’E. coli.

TIRs: 21.653 bp. %GC = 72% Seqüències codificants: 7.825

gens. Més de 20

clusters predits que codifiquen per metabolits secundaris.

OriC: 4.269.853 – 4.272.747bp.

Bentley et al.

Lin Xu et al.

Característiques del genoma

Estructura del genoma

Densitat genètica bastant uniforme al llarg del genoma.

Lleugera disminució als extrems.

Divisió del genoma en tres parts: Core central (blau fort) 4.9Mb

Divisió cel·lular. Replicació DNA. Transcripció i traducció. Biosíntesi d’aminoàcids.

Braç esquerre (blau cel) 1,5Mb Braç dret (blau cel) 2,3Mb

Metabolits secundaris. Exoenzims hidrolítics. Conservons (operons conservats). Proteïnes de vesícules gaseoses.

Bentley et al.

Característiques del genoma

Cercles 1 i 2:

BLACK Energy metabolism.

RED Info transfer and secondary metabolism.

DARK GREEN Molècules associades a la superfície.

CYAN Degradació de molècules llargues.

MAGENTA Degradació de petites molècules.

YELLOW Metabolisme central o intermediari.

PALE BLUE Reguladors.

ORANGE Hipotèticament conservats.

BROWN Pseudogens.

PALE GREEN Unknown.

GREY Micel·liars.

1

2

Cercle 3:Gens essencials per a la viabilitat cel·lular.

Densitat de gens més elevada al core del cromosoma.

Cercle 4:Gens “contingency”:

RED Metabolisme secundari.

PALE BLUE Exoenzims

DARK BLUE Conservons.

DARK GREEN Proteïnes de les vesícules gaseoses.

Cercle 6:Contingut en GC.

3

4

6

Estructura del genoma

Cicle vital molt diferent

Gran similitud a nivell individual: Seqüències de

gens Clusters de gens

Comparació amb dos microorganismes: Mycobacterium tuberculosis i Conerybacterium diphtheriae

Elevada sintènia

La comparació genòmica revela la broken-X, molt comuna en la comparació de genomes de bacteris propers filogenèticament.

Trencament atribuït a les regions que envolten l’oriC.

Bentley et al.

Estructura del genoma

La part compartida és la que correspon al core Antecessor comú!

Els braços de Streptomyces van ser adquirits a posteriori.

Les regions sintèniques són, bàsicament, dels gens de funcions cel·lulars primàries.

Comparació amb dos microorganismes: Mycobacterium tuberculosis i Conerybacterium diphtheriae

Estructura del genoma

El patró és el mateix, sintènia en el nucli del genoma de S. coelicolor broken-X.

Comparació amb dos microorganismes: Mycobacterium tuberculosis i Conerybacterium diphtheriae

La comparació de M. tuberculosis i C. diphtheriae dóna més similituds que els dos casos anteriors.

Bentley et al.

Estructura del proteoma

Predicted genes

Streptomyces coelicolor 7.825

Escherichia coli 4.289

Bacillus subtilis 4.099

Saccharomyces cerevisiae 6.203

Humans 31.780

7.825 gens predits Enorme potencial codificant

Proteïnes “extres” relacionades principalment amb: Regulació Transport i degradació de nutrients extracel·lulars

Característiques del proteoma

Estructura del proteomaCaracterístiques del proteoma

Bentley et al.

Estructura del proteoma

Seqüències reguladores 12,3% Resposta a estrès cel·lular Factors sigma, sensors quinasa, parelles sensor-

regulador, etc. Destaquen:

• 44 possibles proteïnes quinases serina/threonina, típiques eucariotes.

• 25 possibles proteïnes d’unió al DNA que NO s’han descrit anteriorment i que podrien ser específiques de Streptomyces.

Proteïnes transportadores 7,8% Necessàries per la interacció del microorganisme amb

l’entorn. Transportadors de sucres, aminoàcids, pèptids, metalls,

altres ions, etc.

Característiques del proteoma

Estructura del proteoma

Proteïnes secretades 10,5% Necessàries per a l’explotació dels nutrients del sòl.

• Proteases, quitinases, cel·lulases, endogluconases, amilases, pectat liases.

També conté el sistema de translocació proteic Sec i TAT (Twin Arginine Transport) per al transport de proteïnes pre-plegades.

13 conservons (operons molt conservats)

Clusters relacionats amb la formació de vesícules de gas de Halobacterium sp.

Característiques del proteoma

Estructura del proteoma

Enzims paràlegs Importants perquè donaran lloc a isoenzims que

s’expresserant diferencialment segons el moment del cicle vital.

• 2 clusters per la via de les pentoses fosfat

• 4 loci per a la biosíntesi del triptòfan

• 5 homòlegs de fabH (cetosintasa relacionada amb la síntesi de lípids de membrana)

• 3 clusters de la 4ª subunitat de la nitrat reductasa

• Còpia parcial de les subunitats de la cadena respiratòria

Característiques del proteoma

Estructura del proteoma

Metabolisme secundari:18 clusters que codifiquen per enzims

característics per al a producció de metabolits secundaris.

Distribució d’aquests clusters en els braços del genoma.

Gens del metabolisme secundari

Conclusions

Streptomyces coelicolor A3(2) té un genoma molt desenvolupat i evolucionat.

Adquisició de la capacitat de replicar de forma lineal.

Expansió del genoma de forma lateral Adquisió dels braços.

Conclusions

Adquisició de DNA ha permès: Cicle vital complex Adaptació a condicions ambientals adverses Explotació de nutrients

Els braços contenen informació “no-essencial”.

Conclusions

Posteriors seqüenciacions han revelat que diferents espècies tenen diversos clusters en els braços depenent de les seves necessitats Pool metabòlic.

Bibliografia

Bentley S D. et al. Complete genome sequence of the model actinomycete Streptomyces coelicolor A3(2). Nature, VOL 417, 141-147 (2002).

Kieser T, Bibb MJ, Buttner MJ, Chater KF, Hopwood DA. Practical Streptomyces Genetics (Innes Foundation, Norwich), (2000).

Lin Xu et al. Average gene length is highly conserved in prokaryotes and eukaryotes and diverges only between the two kingdoms. Molecular Biology and Evolution 23(6): 1107-1108 (2006).

Serrà M. Producció d’un antibiòtic híbrid per fermentació amb cèl·lules lliuresi immobilitzades de Streptomyces lividans TK21. Tesi doctoral (1994).

Shepherd M D. et al. Laboratory Maintenance of Streptomyces species. Curr Protoc Microbiol. (2010).