Comparative Genomic study of oxidative stress response in acidophilic microorganisms: function, evolution and regulation models

Los microorganismos que habitan ambientes acídicos (pH < 3) están expuestos a factores ambientales altamente estresantes, como altas concentraciones de protones, metales y sulfato; tales factores colocan a los acidófilos en un alto riesgo de generar grandes cantidades de especies reactivas de oxí...

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Detalhes bibliográficos
Autor: Cárdenas Astudillo, Juan Pablo
Formato: tesis doctoral
Estado:Versión publicada
Fecha de publicación:2015
País:Chile
OAI Identifier:oai:repositorio.anid.cl:10533/235106
Acesso em linha:https://hdl.handle.net/10533/235106
Access Level:acceso abierto
Palavra-chave:Ciencias Naturales
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description Los microorganismos que habitan ambientes acídicos (pH < 3) están expuestos a factores ambientales altamente estresantes, como altas concentraciones de protones, metales y sulfato; tales factores colocan a los acidófilos en un alto riesgo de generar grandes cantidades de especies reactivas de oxígeno (ROS) lo que puede llevarlos a un estado de estrés. Adicionalmente, los acidófilos suelen poseer altas tasas de consumo de oxígeno, lo cual aumenta la posibilidad de generación de ROS. Para sobrevivir en estas condiciones, los acidófilos podrían haber desarrollado una respuesta al estrés oxidativo con notables diferencias respecto a los organismos que no están expuestos a condiciones similares. Pese a que actualmente existen datos sobre la respuesta frente a estrés oxidativo en algunos acidófilos, la estrategia general usada por este tipo de organismos permanece pobremente estudiada. La tesis presentada a continuación es un intento de llenar los vacíos de conocimientos presentes sobre el tema. Aprovechando las capacidades de la bioinformática y la disponibilidad de genomas secuenciados, se realizó un estudio genómico comparativo para explorar la respuesta a estrés oxidativo en 44 microorganismos acidófilos. El estudio cubrió tres aspectos: (1) una reconstrucción metabólica general de la respuesta en acidófilos, incluyendo una comparación con un grupo representativo de genomas procariontes no acidófilos de referencia, (2) un estudio filogenético para los principales genes involucrados en la respuesta y (3), la búsqueda de sitios de unión a posibles reguladores involucrados en la respuesta, para la reconstrucción de posibles regulones. La reconstrucción de la respuesta a estrés oxidativo en microorganismos acidófilos reveló que éstos codifican en sus genomas robustos sistemas para la reparación de proteínas, peróxidos orgánicos y DNA. Muchos de ellos también poseen tioles de bajo peso molecular con un posible rol antioxidante. Adicionalmente, se observaron en los acidófilos notorias diferencias, en cuanto al complemento de enzimas involucradas en la remoción directa de ROS (mayor prevalencia de la ruberitrina y casi ausencia de catalasas) y de reguladores VIII potencialmente involucrados en la respuesta a estrés oxidativo (ausencia de reguladores basados en centros de Fe-S o cisteínas, respecto a reguladores basados en metales, como Fur o PerR), respecto de microorganismos neutrófilos modelo. Estudios filogenéticos sugieren que algunos genes predichos como parte de la respuesta a estrés oxidativo poseerían un patrón de evolución que se rige por eventos de transferencia génica horizontal. Dos casos ejemplares de esto son: la transferencia de peroxirredoxinas entre arqueas acidófilas de las órdenes Sulfolobales y Thermoplasmatales, y el caso de la tansferencia de rubreritrina (y sus posibles genes accessorios) entre Leptospirillum, Sulfobacillus y Acidithiomicrobium. Esto sugiere fuertemente el rol de estos genes en la adaptación nicho-específica frente a estrés oxidativo. En contraparte, estos análisis sugirieron un origen vertical (sólo dado por linaje de especies) para varios otros genes, tales como los codificantes para Hsp33 y para DsbG en Acidithiobacilli. La predicción de sitios de unión para reguladores transcripcionales potencialmente relevantes en la respuesta frente a estrés oxidativo, permitió reconstruir regulones predichos que contenían funciones relacionadas directamente en la defensa antioxidante, así como otras posibles funciones ligadas a otros procesos fisiológicos importantes en la mitigación del estrés oxidativo. Tales funciones forman parte de las respuestas de importación/extrusión de iones metálicos, metabolismo energético, biosíntesis de aminoácidos y de ácidos grasos, entre otras.
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Para sobrevivir en estas condiciones, los acidófilos podrían haber desarrollado una respuesta al estrés oxidativo con notables diferencias respecto a los organismos que no están expuestos a condiciones similares. Pese a que actualmente existen datos sobre la respuesta frente a estrés oxidativo en algunos acidófilos, la estrategia general usada por este tipo de organismos permanece pobremente estudiada. La tesis presentada a continuación es un intento de llenar los vacíos de conocimientos presentes sobre el tema. Aprovechando las capacidades de la bioinformática y la disponibilidad de genomas secuenciados, se realizó un estudio genómico comparativo para explorar la respuesta a estrés oxidativo en 44 microorganismos acidófilos. El estudio cubrió tres aspectos: (1) una reconstrucción metabólica general de la respuesta en acidófilos, incluyendo una comparación con un grupo representativo de genomas procariontes no acidófilos de referencia, (2) un estudio filogenético para los principales genes involucrados en la respuesta y (3), la búsqueda de sitios de unión a posibles reguladores involucrados en la respuesta, para la reconstrucción de posibles regulones. La reconstrucción de la respuesta a estrés oxidativo en microorganismos acidófilos reveló que éstos codifican en sus genomas robustos sistemas para la reparación de proteínas, peróxidos orgánicos y DNA. Muchos de ellos también poseen tioles de bajo peso molecular con un posible rol antioxidante. 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