Estudi del genoma de Streptomyces coelicolor A3(2)

1. Estudi del genoma de Streptomyces coelicolor A3(2) Marcel·la Vidal Gabarró Mòdul Genòmica i Proteòmica Màster en Biotecnologia Avançada, UAB Juny 2011

2. 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

3. Introducció al microorganisme Descripció. Característiques generals • 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.

4. Cicle vital complex. Germinació de l’espora que forma un tub germinal. Formació d’una matriu hifal que donarà lloc al micel·li. Cèlules no septades, multinucleades. Inici de la degradació de nutrients que serviran per desenvolupar el micel·li aeri. Enrotllament de les hifes. Formació de septes que donen lloc a les espores. Cèl·lules uninucleades. Introducció al microorganisme Descripció. Cicle vital Hopwood et al.

5. Introducció al microorganisme Importància de la seqüenciació del seu genoma • És el productor de 2/3 dels antibiòtics naturals utilitzats en medicina i veterinària. Hopwood et al.

6. Introducció al microorganisme Importància de la seqüenciació del seu genoma • Productor d’altres substàncies interessants per a la indústria com: • Agents antitumorals • Immunosupressors • Herbicides • Insecticides • Antiparàsits • Antifúngics • Etc.

7. Hopwood et al.

8. Hopwood et al.

9. Introducció al microorganisme Importància de la seqüenciació del seu genoma • 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.

10. Introducció al microorganisme Importància de la seqüenciació del seu genoma • La seqüenciació del genoma de Streptomyces coelicolor A3(2) va ser publicada a Nature el Maig del 2002.

11. Estructura del genoma Com es va seqüenciar? • 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.

12. Estructura del genoma Característiques 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.

13. 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. Estructura del genoma Característiques del genoma Lin Xu et al. Bentley et al.

14. Estructura del genoma Característiques 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.

15. 1 2 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.

16. 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

17. Estructura del genoma Comparació amb dos microorganismes: Mycobacterium tuberculosis i Conerybacterium diphtheriae • Cicle vital molt diferent • Gran similitud a nivell individual: • Seqüències de gens • Clusters de gens • 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.

18. Estructura del genoma Comparació amb dos microorganismes: Mycobacterium tuberculosis i Conerybacterium diphtheriae • 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.

19. Estructura del genoma Comparació amb dos microorganismes: Mycobacterium tuberculosis i Conerybacterium diphtheriae • El patró és el mateix, sintènia en el nucli del genoma de S. coelicolor broken-X. • La comparació de M. tuberculosis i C. diphtheriae dóna més similituds que els dos casos anteriors. Bentley et al.

20. Estructura del proteoma Característiques del proteoma • 7.825 gens predits  Enorme potencial codificant • Proteïnes “extres” relacionades principalment amb: • Regulació • Transport i degradació de nutrients extracel·lulars

21. Estructura del proteoma Característiques del proteoma Bentley et al.

22. Estructura del proteoma Característiques 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.

23. Estructura del proteoma Característiques 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.

24. Estructura del proteoma Característiques 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

25. Estructura del proteoma Gens del metabolisme secundari 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.

26. 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.

27. Conclusions • Adquisició de DNA ha permès: • Cicle vital complex • Adaptació a condicions ambientals adverses • Explotació de nutrients • Els braços contenen informació “no-essencial”.

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

29. 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).