Emilio Blas Galindo y6p1

Universidad Autónoma de Madrid Facultad de Ciencias Departamento de Biología Molecular

Desarrollo de nuevas herramientas y protocolos de selección de proteínas termoestables en Thermus thermophilus

TESIS DOCTORAL Emilio Blas Galindo Madrid 2007

Memoria presentada por Emilio Blas Galindo para optar al grado de Doctor en Ciencias por la Universidad Autónoma de Madrid bajo la dirección del Dr. José Berenguer Carlos, en el Departamento de Biología Molecular.

Madrid 2007.

Índice

ÍNDICE

ABSTRACT 1. INTRODUCCIÓN 1.1 El género Thermus

1 1

1.1.1 Descripción

1

1.1.2 Transformabilidad

2

1.2 Enzimas termoestables

3

1.2.1 Fuentes de enzimas termoestables

4

1.2.2 Producción de enzimas termoestables

4

1.2.3 Termoestabilización de enzimas termófilas

5

1.2.4 Microorganismos termófilos como factorías celulares

7

1.3 Herramientas genéticas disponibles para Thermus spp.

8

1.3.1 Selección por resistencia termoestable a antibióticos

8

1.3.2 Selección por complementación de auxotrofías

9

1.3.3 Genes testigo de actividad termoestable

9

1.3.4 Plásmidos

9

1.3.5 Generación de mutantes

10

1.3.6 Nuevas herramientas

11

1.4 El ribosoma bacteriano

11

1.4.1 Inhibidores de la síntesis de proteínas útiles como antibióticos

15

1.4.2 Proteína S12

18

1.5 GFP como herramienta de localización y selección

21

1.6 Interferón Gamma humano

23

Índice

2. OBJETIVOS

26

3. MATERIALES Y MÉTODOS

27

3.1 Material biológico

27

3.1.1 Cepas utilizadas

27

3.1.2 Plásmidos utilizados

28

3.1.3 Plásmidos construidos en este trabajo

30

3.1.4 Anticuerpos usados en este trabajo

32

3.2 Material químico y biológico

32

3.2.1 Tampones y otras soluciones

32

3.2.2 Oligonucleótidos utilizados

33

3.3 Métodos microbiológicos

35

3.3.1 Crecimiento y conservación de estirpes bacterianas

35

3.3.2 Transformación bacteriana

36

3.3.3 Crecimiento de T. thermophilus en distintas condiciones

37

3.3.4 Fraccionamiento celular

37

3.4 Manipulación de DNA

37

3.4.1 Preparación de DNA plasmídico de E. coli

37

3.4.2 Preparación de DNA cromosómico de T. thermophilus

38

3.4.3 Precipitación de DNA

38

3.4.4 Clonaje y amplificación de DNA

38

3.4.5 Secuenciación de DNA

39

3.4.6 Electroforesis y purificación de fragmentos de DNA

40

3.4.7 Generación de librería de Interferón Gamma humano

40

3.5 Manipulación de proteínas

41

3.5.1 Preparación de extractos para electroforesis

41

3.5.2 Electroforesis en geles de poliacrilamida

41

3.5.3 Inmunodetección de proteínas (Western Blot)

42

3.5.4 Medida de actividades enzimáticas in vitro

42

-Ensayo de actividad β-galactosidasa

42

-Ensayo de actividad nitrato reductasa

42

-Ensayo de actividad fosfatasa alcalina

43

Índice 3.5.5 Pulso proteolítico

43

3.5.6 Producción de Interferón en células COS7

43

3.5.7 Factor de Termoestabilidad (TF)

44

3.6 Observación microscópica 3.6.1 Microscopía confocal

44 44

3.7 Comparación de secuencias y predicción de estructuras mediante herramientas informáticas

45

4. RESULTADOS

47

Capítulo 1: Desarrollo de vectores

47

4.1.1 Construcción de un plásmido con marcador de resistencia termoestable a higromicina

47

4.1.1.1 Construcción de pMK184

47

4.1.1.2 Construcción de pMH184

48

4.1.1.3 Estabilidad y eficiencia de transformación de pMH184

48

-Termo-resistencia

48

-Nivel de resistencia frente a higromicina

49

-Eficiencia de transformación

50

4.1.1.4 Expresión del gen bgaA desde pMH184 4.1.2 Construcción de un vector para prueba de promotores

51 51

4.1.2.1 Construcción de pMHbglu

51

4.1.2.2 Ensayo de actividad β-glucosidasa

52

Capítulo 2: Desarrollo de un nuevo marcador de selección termoestable para Thermus

53

4.2.1 Búsqueda de nuevos marcadores de selección

53

4.2.2 Aislamiento de mutantes resistentes a estreptomicina

53

4.2.3 Aislamiento de las mutaciones simples del alelo rpsL1

55

4.2.4 rpsL1 confiere dependencia de estreptomicina

56

4.2.5 Base estructural del fenotipo de dependencia de estreptomicina

58

4.2.6 Utilización de rpsL1 en vectores

59

Índice 4.2.7 Construcción de vectores integrativos basados en rpsL1

60

4.2.8 Construcción de un vector replicativo basado en rpsL1

64

4.2.9 Dependencia de estreptomicina conferida por pS18 y pMS18

65

4.2.10 Crecimiento de mutantes dependientes de estreptomicina

66

4.2.11 Utilización de pS18a para la deleción forzada de genes en T. thermophilus

67

4.2.12 Inserción en el cromosoma de una β-galactosidasa termoestable en un fondo genético silvestre

69

4.2.13 Inserción en el crosmosoma del gen phoA en un fondo genético phoA::kat resistente a kanamicina

70

4.2.14 Inserción en el crosmosoma del gen narC en un fondo genético narC::kat resistente a kanamicina

70

4.2.15 Inserción en el crosmosoma del gen gfh1 en un fondo genético Δgfh1::kat resistente a kanamicina

71

Capítulo 3: Desarrollo de un marcador de localización termoestable en Thermus thermophilus

73

4.3.1 Construcción de vectores

73

4.3.2 sGFP es activa in vivo a latas temperaturas

74

4.3.3 sGFP es activa a alta temperatura

74

4.3.4 Construcción y expresión de fusiones proteína-sGFP

75

4.3.5 Localización in vivo de proteínas fusión con sGFP

77

4.3.6 Expresión de PhoA-sGFP en mutantes de T. thermophilus csaB

77

Capítulo 4: Diseño de un nuevo sistema de selección en Thermus thermophilus de proteínas mutantes termoestables

79

4.4.1 Modelo de termoestabilización de proteínas

79

4.4.2 Construcción de vector para termoestabilización

80

4.4.3 Condiciones óptimas de selección de mutantes termoestables

81

4.4.4 Obtención de mutantes termoestables de Interferón Gamma humano

83

4.4.5 Factor de Termoestabilidad (TF) de los mutantes de Interferón Gamma humano

84

4.4.6 Resistencia de mutantes termoestables de IFN-γ a agentes caotrópicos 4.4.7 Localización de mutaciones en la estructura del Interferón Gamma

87 87

Índice

5. DISCUSIÓN Nuevos marcadores de selección

89 89

-Higromicina

89

-Estreptomicina

91

Localización de estructuras mediante sGFP

94

Selección de mutantes termoestables

96

6. CONCLUSIONES

100

7. BIBLIOGRAFÍA

102

ANEXO

Índice

ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS Tablas Tabla 1. Ejemplos de microorganismos termófilos como factorías celulares

8

Tabla 2. Ejemplo de fusiones proteín-GFP

22

Tabla 3. Cepas utilizadas en este trabajo

27

Tabla 4. Plásmidos utilizados

28

Tabla 5. Plásmidos construidos en este trabajo

30

Tabla 6. Antisueros utilizados

32

Tabla 7. Tampones y otras soluciones

32

Tabla 8. Oligonucleótidos utilizados

33

Tabla 9: Actividad β-galactosidasa

51

Tabla 10.Tiempo de generación de las estirpes portadoras de rpsL1 y derivados

67

Tabla 11. Actividad enzimática

76

Tabla 12. Factor de Termoestabilidad

84

Tabla 13. Factor de Termoestabilidad de mutantes simples

85

Índice

Figuras de Introducción Figura 1. Estructura del ribosoma por Crio-Microscopía Electrónica de E. coli

12

Figura 2. Modelo simplificado de elongación de la traducción

14

Figura 3. Subunidad 30S del ribosoma de T. thermophilus

15

Figura 4. Estructura de la estreptomicina

16

Figura 5. Hélice H44 del rRNA 16S

17

Figura 6. Subunidad 30S de E. coli

19

Figura 7. Interacción de la estreptomicina con la subunidad 30S

20

Figura 8. Estructura 3D de variantes de GFP

23

Figura 9. Estructura 3D del Interferón (IFN-γ) humano

25

Figuras de Materiales y Métodos Figura 10. Cálculo del Factor de termoestabilidad (TF)

44

Figuras de Resultados Figura 11. Construcción del plásmido pMK184

47

Figura 12. Construcción del plásmido pMH184

48

Figura 13. Termoresistencia

49

Figura 14. Nivel de resistencia a higromicina

50

Figura 15. Eficiencia de transformación pMK/pMH

50

Figura 16. Construcción de pMH184βglu y derivados

52

Figura 17. Actividad β-glucosidasa

52

Figura 18. Secuencia del gen seleccionado

54

Figura 19. Esquema de la separación de las mutaciones del gen rpsL1

55

Figura 20. Eficiencia de crecimiento en estreptomicina conferida por transformación con las mutaciones de rpsL1

56

Figura 21. Dependencia de estreptomicina de la cepa rpsL1

57

Figura 22. Dependencia a estreptomicina de rpsL1 y sus mutantes simples

58

Figura 23. Comparación de las estructuras del rRNA 16S y S12

59

Figura 24. Construcción de pMK184rpsL1

60

Figura 25. Construcción de pS18a y pS18b

61

Figura 26. Número de bacterias viables

62

Índice Figura 27. Inserción de pS18a en el cromosoma

63

Figura 28. Construcción de pMS18

64

Figura 29. Viabilidad frente a estreptomicina de células transformadas con pS18a y pMS18 Figura 30. Utilización de rpsL1 para la deleción forzada de genes

66 68

Figura 31. Construcción de plásmidos seleccionables por estreptomicina para ensayos de complementación

72

Figura 32. Ensayos de complementación

72

Figura 33. Plásmido para la expresión de las proteínas de fusión con sGFP

73

Figura 34. Expresión de sGFP a alta temperatura

75

Figura 35. Construcción y detección de fusiones con sGFP

76

Figura 36. Localización de las proteínas de fusión con sGFP

77

Figura 37. Expresión de PhoA-sGFP

78

Figura 38. Esquema del modelo de termoestabilización de proteínas

79

Figura 39. Construcción de pNCK

80

Figura 40. Funcionalidad del sistema de selección

82

Figura 41. Comparación del Factor de Termoestabilidad

86

Figura 42. Pulso proteolítico

87

Figura 43. Estructura de mutantes termoestables de IFN-γ

88

Figuras de Discusión

Figura 44. Actividad residual de mutantes de IFN-γ

97

Figura 45. Secuencia de aminoácidos del IFN-γ humano

99

Abreviaturas ,: Separación de unidades de millar .: Separación entre unidades y decimales µF: Microfaradios µg/ml: Microgramos por mililitro µg: Microgramos µl: Microlitro µm: Micrometro µM : Micromolar µmol: Micromol ΔG: Incremento de la energía libre Ω: Ohmios 3D: 3 dimensiones aa: Aminoácidos r

Amp : Resistente a ampicilina C: Citosina cm: Centímetros cols.: Colaboradores D.O.550: Densidad óptica a una longitud de onda de 550 nanómetros DMSO: Dimetil sulfóxido DNA: Ácido desoxirribonucleico dNTP: Desoxiribonucleótido trifosfato EDTA: Ácido etilen diamino tetra-acético Fig.: Figura FOA: Ácido fluororótico g/l: Gramos por litro G: Guanina GDP: Guanosin difosfato GFP: Proteína verde fluorescente (green fluorescent protein) GTP: Guanosin trifosfato h: Horas r

Hig : Resistente a higromicina IFN: Interferón IPTG: Isopropil-tio-β-D-galactósido r

Kan : Resistente a kanamicina kat: gen codificante de la kanamicin adenil transferasa termoestable kb/s: Kilobases por segundo -1 kcal mol : Kilocalorías por mol

kDa: Kildalton LB: Medio de cultivo Luria-bertani M: Molar 2 mA/cm : Miliamperios por centímetro cuadrado

mg/ml: Miligramos por mililitro min: Minutos ml: Mililitro mM: Milimolar

Abreviaturas mRNA: RNA mensajero ms: Milisegundos ng: Nanogramo ONPG: Orto-nitrofenil-β-D-galactopiranósido p/v: Relación peso/volumen pb: Pares de bases pmol: Picomol PCR: reacción en cadena de la polimerasa (polymerase chain reaction) RNA: Ácido ribonucleico RNasa A: Rinonucleasa A rpm: Revoluciones por minutos rRNA: RNA ribosómico SDS: Dodecil sulfato sódico SDS-PAGE: Electroforesis en gel de poliacrilamida en presencia de SDS r

Str : Resistente a estreptomicina t : Tiempo TB: Medio de cultivo rico para Thermus TF: Factor de Termoestabilidad Tris: Tri-(hidroximetil)-aminometano tRNA: RNA transferente U: Unidad enzimática U.M.: Unidades Miller u.D.O.550: Unidades de densidad óptica V/cm: Voltios por centímetro V: Voltios X-Gal: 5-bromo-4-cloro-3-indolil-β-D-galactopiranósido

ABSTRACT

Abstract

The genus Thermus has became one of the most used models for bacterial thermophiles because of its easy handling in the laboratory, its high cultures yields under aerobic conditions, and its natural competence. These properties, and the ability of its thermophilic enzymes and supramolecular complexes to crystallize at room temperatures, are on the basis of the most relevant acomplishment in recent years in the structural biology filed, with paradigmatic examples as relevant as the high resolution structures of 70S ribosome, the bacterial RNA polymerase and the respiratory complex I.

To stablish a clear link between structure and function a well developed resource of genetic tools are required, and this Thesis includes some of the most recent attemps to provide new tools for the genetic analysis of Thermus. At the time when this work started, a single antibiotic resistance (to kanamycin) could be used as selectable marker at high temperatures, and any further manipulation of the strains would require the deletion of the marker in order to be used again on the same strain. To overcome this, we attempted to use alternative gene selection markers.

For this, we followed two strategies. One one hand, we took advantage of the development in 2005 by a japanese group (Nakamura, 2005) of a thermostable form of a hygromycin B phosphotransferase to develop new plasmids which are compatible with the resistance to kanamycin, thus allowing protein expression and complementation assays in kanamyn resistant background. The new hygromycin resistant plasmids are described in the first chapter of the Thesis.

On the other hand, in the second chapter we describe the development of a new marker based on a spontaneous allele of the rpsL gene coding for a mutant S12 protein that provides not only resistance but dependence from Streptomomycin. Thus, such marker, allowed its use not just for positive selection to develop new plasmids, but also to carry out directed deletions of genes by using it for negative selection. We illustrate the use of this new marker by the expression of genes in T. thermophilus, by the complementation of mutants in kanamycin-resistant backgrounds, and through the isolation of a deletion mutant in a straight-forward strategy.

The third chapter is devoted to describe the use of a mutant form of the Green Fluorescent Protein of Aquoeroa victoria as a localization marker in T. thermophilus. We demosntrate that a mutant form of this protein called superfolder GFP can be expressed and processed in T. thermophilus at 70º C to render a fully fluorescent protein which utility is demonstarted by expressing it as C-terminal fusions to as cytoplasmic and a periplasmic protein. Noteworthly, we demonstrate that this sGFP can be secreted to the periplasm at 70º C in a fully active and folded protein.

In the last chapter of the Thesis we developed a new and general method for the stabilization of proteins through a protocol of selection in Thermus thermophilus, in collaboration with a biotechnology company specialized in protein evolution. The method is based on the interference that a unstable Nterminal part of a protein has on the folding of its C-terminal domain, in such a way that we developed plasmids from wich protein fusions between a target and a reporter coding for a thermostable resistance marker could be expressed in T. thermophilus at thermophilic temperatures. By this strategy we could demonstrate this principle and select thermostable forms of a the human gamma interferon, a protein that doesn't have any enzymatic activity, in a very rapid and efficient protocol. The general application of this method to other proteins and enzymes could also be demonstrated further in the biotech company.

INTRODUCCIÓN

Introducción

1.1 EL GÉNERO Thermus 1.1.1 Descripción El género Thermus spp, descrito por Brock y Freeze (1969) incluye aislados de bacterias termófilas moderadas y extremas, generalmente aerobias, pigmentadas, de tinción Gram negativa y con un contenido en G+C entorno al 70 %. La secuencia de su rRNA 16S, así como la de muchas proteínas habitualmente empleadas como relojes moleculares, permite definir al género como perteneciente a una de las ramas más antiguas de la filogenia bacteriana, formando junto con los cocos Gram positivos del género Deinococcus uno de los Filum en los que se dividen actualmente las bacterias (da Costa y cols., 2001). Tras Thermotoga y Aquifex, este grupo constituiría una de las ramas más antiguas en la evolución de las bacterias (Woese, 1987), aunque existen interpretaciones alternativas basadas tanto en el análisis de la ultraestructura de las envolturas celulares como en la presencia de inserciones y deleciones distintivas que proponen a este género como un intermedio evolutivo entre bacterias Gram positivas (“monodermas”) y Gram negativas (“didermas”) (Gupta, 2000). No obstante, la primera interpretación continúa siendo la más aceptada. Su envoltura celular presenta una estructura intermedia entre Gram positivos y Gram negativos, con una pared de peptidoglicano fina, pero con entrecruzamientos de diglicina, presencia de fenil acético y polisacáridos unidos covalentemente (SCWP, “secondary cell wall polymers”). Rodeando a la pared aparece una especie de membrana externa estructurada sobre una capa proteica cristalina (capa S) que se une a la SCWP, por lo que estos organismos realmente poseen un espacio periplásmico definido físicamente (Castán y cols., 2002). El género es de una enorme amplitud y gran diversidad interna como consecuencia de su adaptación a diversos nichos ecológicos termófilos, incluyendo además de fuentes termales neutras o ligeramente básicas, de diferentes puntos del mundo, como Japón, Islandia, Nueva Zelanda, Estados Unidos, etc. (Hudson y cols., 1989), sistemas de refrigeración de industrias y centrales nucleares (da Costa y cols., 2001). Este hecho confiere al género un enorme potencial como fuente de enzimas de posible aplicación biotecnológica y hace aconsejable el desarrollo de sistemas modelo basados en este género (Pantazaki y cols., 2002; Lioliou y cols., 2004). A nivel metabólico, se trata de uno de los pocos termófilos aerobios o al menos facultativos. Emplea aminoácidos y azúcares como fuentes de carbono y energía preferidos, aunque la mayor parte de las estirpes pueden crecer en medios minerales con amonio y algún azúcar, lo que indica la existencia de un metabolismo biosintético bastante completo. Este carácter aerobio y la no existencia de requerimientos

1

Introducción

especiales hacen que su crecimiento sea bastante rápido y fácil de reproducir en condiciones de laboratorio, lográndose con algunas cepas tiempos de duplicación de 40 minutos. La secuenciación del genoma de tres cepas de Thermus ha sido completada y dada en libre recientemente (dos completas y una sin ensamblar). Es relevante destacar en este punto que el genoma de este organismo codifica unos 2200 genes, prácticamente la mitad que muchas cepas de Escherichia coli, lo que confirma la tendencia a la reducción de la información genética con la temperatura de crecimiento. Además, la cepa Thermus thermophilus HB8 ha sido elegida para el desarrollo de un programa de biología estructural que para finales del año 2006 había dado lugar a la cristalización de 632 proteínas y a las estructuras 3D de 300 de ellas. 1.1.2 Transformabilidad Una de las características más relevantes del género a nivel de su empleo como modelo es la posesión de un sistema de competencia natural formado por al menos 16 proteínas codificadas en 7 loci diferentes, que se expresa constitutivamente y que es de una enrome eficiencia, permitiendo velocidades de entrada de DNA lineal o circular muy elevada (40 kb/s y célula en algunas cepas) (Schwarzenlander y Averhoff, 2006). En algunos casos se ha podido demostrar también la capacidad de determinadas cepas de transferir copias completas de su genoma a una cepa receptora mediante mecanismos conjugativos similares a los descritos para las cepas Hfr de E. coli, y que probablemente implique, como en éstas, la inserción de un plásmido conjugativo en algún punto del cromosoma de la cepa donadora (RamírezArcos y cols., 1998). A nivel de potenciales vectores para el desarrollo de sistemas de transferencia genética, muchas de las cepas de Thermus spp aisladas contienen plásmidos crípticos de distintos tamaños y, en general, bajo número de copias (Vasquez y cols., 1984), alguno de los cuales ha sido empleado para la construcción de vectores de clonaje y expresión. También han sido descritos virus de diversas familias capaces de infectar de forma más o menos específica a distintas cepas de Thermus spp. Así, recientemente se han descrito de manera simultánea nada menos que 113 virus nuevos específicos del género y pertenecientes a las familias Myoviridae, Siphoviridae, Tectiviridae e Inoviridae (Yu y cols., 2006), aunque no existen aún descripciones que indiquen nada acerca de su posible utilización para el desarrollo de vectores. No obstante, resulta obvio el potencial biotecnológico de los genes codificados por tales virus.

2

Introducción

1.2 ENZIMAS TERMOESTABLES Además de la resistencia y capacidad de funcionamiento a elevadas temperaturas, las enzimas procedentes de microorganismos termófilos o termozimas presentan también mayor resistencia que sus homólogas procedentes de mesófilos frente a agentes desnaturalizantes como cosolventes, agentes caotrópicos y detergentes, no requieren refrigeración para su mantenimiento en forma activa y presentan vidas medias prolongadas (Coolbear y cols., 1992; Adams y cols., 1998; Bruins y cols., 2001). Por estas razones, la termoestabilidad es un carácter muy deseable para muchas de las aplicaciones industriales de los biocatalizadores. Las diferencias entre termozimas y mesozimas homólogas que justifican este incremento general en la resistencia no son fácilmente deducibles de la comparación de secuencias, que básicamente revela la disminución en la frecuencia de aparición de ciertos aminoácidos sensibles a la oxidación a elevadas temperaturas (glutamina, asparagina, cisteína) y un incremento en los porcentajes de aparición de aminoácidos que favorecen la formación de hélices alfa o el establecimiento de interacciones iónicas (Bruins y cols., 2001; Vieille y Zeikus, 2001). No obstante, estas diferencias son detectables a nivel estadístico cuando se comparan gran número de secuencias, pero no constituyen una regla infalible en todos los casos. Por el contrario, el enorme incremento en el número de estructuras tridimensionales disponibles que se ha producido

en los últimos años ha permitido comprobar cómo las termozimas

presentan una estructura más compacta, que normalmente no implica un menor volumen, sino el rellenado de espacios internos observables en sus mesozimas homólogas mediante la aparición de aminoácidos más voluminosos, el incremento de rigidez de lazos flexibles, el frecuente acortamiento de extremos amino y/o carboxilo, el reforzamiento de las estructuras secundarias, especialmente alfa-hélices y el establecimiento de un mayor número de interacciones o redes iónicas en la superficie (Vieille y Zeikus, 2001). Todos estos cambios se traducen en último extremo en una mayor rigidez de las termozimas a temperaturas moderadas en prácticamente todas su estructura, incluyendo el centro activo, lo que tiene como consecuencia la falta de actividad a temperaturas moderadas (Fields, 2001). De este modo, los perfiles de temperaturas óptimas de funcionamiento de las termozimas son un calco de los de las mesozimas, pero desplazados 30 o 40º C. Esta propiedad constituye algo no siempre deseable en las aplicaciones industriales en las que la estabilidad de sustratos o productos no sea muy elevada, lo que ha llevado a la industria a tratar de desarrollar mediante “evolución dirigida” o por modificación química, enzimas con la resistencia de las

3

Introducción

termozimas, pero con capacidad de funcionamiento en rangos de temperaturas más amplios. 1.2.1 Fuentes de enzimas termoestables Aunque la presencia y concentración de metabolitos protectores (poliaminas, azúcares, fosfogliceratos de azúcares) específicos ayuda a proteger parcialmente (unos 5º C) las enzimas en el interior del citoplasma de muchos de los microorganismos más termófilos (Santos y da Costa, 2001), éstas presentan óptimos de actividad próximos a los de crecimiento del organismo de procedencia (Coolbear y cols., 2001). Puesto que estos varían en un rango tan amplio que obliga a dividir el término general de termófilo en moderados (50-60º C), extremos (60-80º C) e hipertermófilos (>80º C), lo esperable es que las enzimas de cada uno de estos grupos presenten sus respectivos óptimos dentro de estos rangos. A nivel evolutivo, el carácter termófilo moderado es relativamente frecuente, apareciendo en multitud de bacterias, en arqueas y en un número reducido de eucariotas. Por el contrario, la inmensa mayoría de termófilos extremos e hipertermófilos pertenecen a ramas cortas del árbol filogenético universal, lo que constituye el indicio más aceptado del carácter ancestral de la termofilia. En todo caso y en relación con la posible búsqueda de nuevas termozimas, es muy importante tener en cuenta tres factores que afectan al espectro de enzimas esperables en los lugares de búsqueda: por un lado la biodiversidad disminuye con la temperatura, por lo que el número de microorganismos sobre los que se puede efectuar tal búsqueda es inversamente proporcional a la temperatura del medio; por otro lado, a medida que aumenta la temperatura de crecimiento, también lo hacen las propias dificultades técnicas para el aislamiento de tales microorganismos; finalmente, los estudios genómicos han revelado que el contenido genético disminuye también con la temperatura, por lo que no es esperable la existencia de sistemas enzimáticos redundantes ni isoenzimas diversas en un mismo organismo. En definitiva, cualquier programa

de

búsqueda

de

nuevas

termozimas,

incluidos

los

basados

en

metagenómica, deben tener en cuenta estos aspectos a la hora de elegir bien los nichos de aislamiento. 1.2.2 Producción de enzimas termoestables La producción de termozimas se efectúa generalmente en un microorganismo modelo al que se le transfiere el gen codificante en un plásmido o vector bajo el control de algún promotor inducible. Como sistemas modelo se emplean desde bacterias (Escherichia coli y Bacillus subtilis especialmente) a eucariotas (Saccharomyces

4

Introducción

cerevisiae, Pichia pastoris). No obstante, este procedimiento tan conveniente y rentable sólo funciona bien para un número reducido de termozimas, generalmente correspondientes a enzimas solubles, sencillas (monómeros u homo-oligómeros), que no requieren de procesamiento específico ni de incorporación de cofactores. De los programas actualmente existentes de genómica estructural de organismos termófilos (Pyrococcus furiosus, Thermotoga maritima, Thermus thermophilus, Methanococcus jannaschii, Pyrococcus horikoshii, Pyrobaculum aerophilum, Methanobacterium thermoautotrophicum), en los que se pretende clonar, producir y cristalizar todas las proteínas codificadas en sus genomas, los datos indican que solamente alrededor del 30-40 % son producibles en forma activa en E. coli, lo que sugiere que, además de las causas comentadas anteriormente, existe una dificultad intrínseca al hecho de tratar de producir enzimas entre 30 y 40º C por debajo de su temperatura natural de expresión. Este hecho limita aún más el espectro de enzimas codificadas por microorganismos termófilos. 1.2.3 Termoestabilización de proteínas mesófilas La aplicación potencial de las proteínas termoestables para la industria hace que se trate de buscar enzimas “a medida” tanto en estabilidad como en otros aspectos de interés para su aplicación, lo que ha llevado a la obtención de enzimas modificadas a partir de organismos mesófilos, principalmente por dos métodos: Mutagénesis dirigida: El hecho de que la termoestabilidad de enzimas procedentes de microorganismos termófilos dependa de los mismos elementos que estabilizan las proteínas mesófilas, implica que debería ser relativamente sencillo termoestabilizar proteínas procedentes de mesófilos mediante la introducción por ingeniería genética de nuevos enlaces o mediante la intensificación de los ya existentes. Las estrategias usadas se apoyan en un diseño teórico de los cambios a introducir en la estructura 3D de la proteína basándose en comparaciones con proteínas termófilas homólogas. Sin embargo, esta estrategia está limitada muchas veces por la ausencia de estructuras 3D de la proteína a modificar y la necesidad de predecirla a partir de secuencias de aminoácidos. En estos casos la introducción de modificaciones presenta una elevada tasa de fracaso (Veltman y cols., 1997). Evolución molecular: Consiste en introducir mediante mutagénesis al azar cambios en el gen que codifica la enzima que se desea termoestabilizar. Posteriormente se seleccionan aquellos clones que siguen reteniendo la actividad enzimática en las condiciones de funcionamiento deseadas. Este proceso de selección

5

Introducción

se puede realizar en E. coli u otro organismo mesófilo mediante el empleo a gran escala de robots y la búsqueda de una propiedad determinada. Alternativamente, se puede proceder a una selección funcional en un organismo termófilo “manipulable genéticamente” mediante el crecimiento de dicho organismo en condiciones tales que la actividad enzimática sea requerida para el crecimiento. A diferencia de la mutagénesis dirigida, en este sistema no se predicen los cambios que van a tener lugar, sino que se selecciona sobre una enorme base de mutaciones. Estos procesos de selección son graduales en muchas ocasiones, pues lo que se pretende seleccionar se aleja mucho en cuanto a condiciones de las características del enzima de partida, necesitándose varias mutaciones para la adaptación de la enzima. Por ello se suele proceder a varios procesos de selección sucesivos, modificando las condiciones de ensayo-selección de la actividad de forma progresiva (Tamakoshi y cols., 2001). En el caso de la selección funcional en termófilos, el primer ejemplo de funcionamiento de tal sistema fue la estabilización del gen de la kanamicin-nucleotidiltransferasa (Matsumura y Aiba, 1985). Con posterioridad varias enzimas han sido estabilizadas por este método, como la Bleomicina (Brouns y cols., 2005), Hygromycina B fosfotransferasa para T. thermophilus (Nakamura y cols., 2005) y Sulfolubus solfataricus (Cannio y cols., 2001), una β-galactosidasa de Bacillus stearothermophilus (Fridjonsson y cols., 2002) y la 3-isopropilmalato deshidrogenasa de E. coli (Tamakoshi y cols., 1995) y de Saccharomyces cerevisiae (Tamakoshi y cols., 2001). La descripción posterior de la estructura tridimensional detallada de las enzimas mutantes termoestabilizadas ha proporcionado una información interesante sobre la relación entre estructura y estabilidad (Spiller y cols., 1999, Wintrode y cols., 2003) aunque con la excepción de las enzimas que confieren resistencia a los antibióticos, la principal dificultad de estos métodos de selección radica en la necesidad de aislar cepas que dependan de la actividad a seleccionar mediante técnicas genéticas disponibles únicamente por unos cuantos laboratorios a nivel mundial. Además de estas técnicas dependientes de actividad enzimática, hay otras independientes de actividad disponibles. La técnica Proside (“protein stability increased by directed evolution”) (Sieber y cols., 1998) para la estabilización de proteínas vincula la resistencia a proteasas de las variantes estables de una proteína con la infectividad de un fago filamentoso, pero este método tiene limitaciones severas respecto al tamaño de la proteína a seleccionar (<110 aminoácidos); otros sistemas, como “yeast display” (Richman y cols., 2006) pueden aplicarse para la selección de mutantes termoestables de proteínas de gran tamaño, pero requieren herramientas para la selección con FACS (“Fluorescence-activated cell sorting”) (p. ej. anticuerpos),

6

Introducción

que son caros y no siempre están disponibles para la proteína de interés; un ejemplo más es el método de fusión de una proteína de interés con GFP (“Green Fluorescent Protein”) (Waldo y cols., 1999). Mediante este método se relaciona el correcto plegamiento de la proteína de interés con el plegamiento de GFP, que podrá ser detectada gracias a la fluorescencia emitida. Partiendo de este método de selección, uno de los objetivos de esta Tesis Doctoral fue el desarrollo de un método alternativo de selección de proteínas termoestables en T. thermophilus. 1.2.4 Microorganismos termófilos como factorías celulares La alternativa obvia a las dificultades de expresión comentadas anteriormente sería la producción de las enzimas en el propio organismo de procedencia, tras la conveniente manipulación de éste para incrementar su rendimiento. Sin embargo, la mayor parte de los organismos termófilos extremos e hipertermófilos son de difícil crecimiento en condiciones de laboratorio, pues en su mayoría son anaerobios y muchos presentan metabolismo quimiolitotrófico de bajo rendimiento. Adicionalmente, no existen sistemas que permitan la manipulación genética de prácticamente ninguno de ellos. Por tal motivo se están tratando de desarrollar metodologías de manipulación genética de bacterias y arqueas termófilas extremas para que puedan ser empleadas como factorías celulares en la producción de termozimas. En la tabla 1 se presenta un resumen de las principales propiedades en relación con su posible manipulación genética de microorganismos extremos e hipertermófilos que han sido estudiados o propuestos como posibles sistemas modelo tanto para estudios de su biología como para su empleo en la producción de termozimas. Como se observa en la tabla 1, dentro del dominio Archaea los modelos más desarrollados son los correspondientes a S. solfataricus y Thermococcus kodakarensis, para los cuales han sido descritos sistemas de transformación por electroporación, así como métodos de selección positiva frente a algunos antibióticos y antimetabolitos, y de selección mediante complementación de la auxotrofía para uracilo producida por crecimiento en ácido fluororótico (FOA), que genera defectos en los genes pyrE y/o pyrF. A nivel de bacterias termófilas extremas, T. thermophilus es prácticamente el único microorganismo para el que se han descrito métodos de manipulación comparables a los existentes en muchas bacterias mesófilas.

7

BACTERIA

ARQUEA

Introducción

Organismo

Top

Mut.

Trans. Gen.

Plas

Virus

Res. Antib.

Comp. Aux.

Gen Test.

Sulfolobus solfataricus Sulfolobus acidocaldarius Pyrococcus furiosus Pyrococcus abissi Thermococcus kodakarensis Thermotoga neapolitana

87

+++

+

++

++

Hyg Adh

PyrEF

LacS

75

++

+

+

-

-

PyrEF

-

100

++

+

+

-

Adh

-

-

100

++

+

+

++

-

PyrEF

-

85

++

++

+

-

Sin

PyrEF

LacS

80

++

+/-

+/-

-

-

-

-

75

+++

+++

+++

+++

Kan Bleo Hyg

LeuB TrpB PyrEF

BgaA PhoA

Thermus thermophilus

Tabla 1: Ejemplos de microorganismos termófilos como factorías celulares. Top) Temperatura óptima; Mut) Descripción de aislamiento de mutantes; Trans. Gen) transformación genética; Ps) Presencia de plásmidos; Virus) Existencia de virus descritos; Res. Antib.) Resistencia a antibiótico o antimetabolitos (Hyg, Kan, Bleo y Sin confieren resistencia a Hygromicina B, Kanamicina, Bleomicina y Sinvastatina respectivamente; Adh codifica resistencia a alcoholes); Comp. Aux.) Complementación de auxótrofos (PyrE/F complementan auxótrofos para uracilo, LeuB y TrpB para leucina y triptófano); Gen. Test.) Genes testigo (LacS y BgaA son beta-galactosidasas, PhoA es una fosfatasa alcalina). Los signos indican: -) no detectada; +/-) presencia transitoria; + a +++) abundancia y frecuencia de descripciones.

1.3 HERRAMIENTAS GENÉTICAS DISPONIBLES PARA Thermus spp 1.3.1 Selección por resistencia termoestable a antibióticos Uno de los principales problemas a la hora de desarrollar sistemas modelo termófilos es la escasez de genes de selección por resistencia a antibióticos, al ser termosensibles la mayoría de los antibióticos y las enzimas necesarias para su inactivación. El primer sistema de selección termorresistente por antibiótico fue el correspondiente a una kanamicin nucleotidil transferasa mutante que fue seleccionada por resistencia térmica en Geobacillus stearothermophilus y que presentaba un par de mutaciones

(N80Y,

T130L)

con

respecto

a

la

habitualmente

presente

en

microorganismos mesófilos (Liao y cols., 1986). Este gen fue puesto bajo control de un promotor de T. thermophilus y empleado como primer sistema de resistencia en este organismo en 1992 (Lasa y cols., 1992; Mather y Fee, 1992), siendo desde entonces único hasta que en 2005 se publicó la selección por evolución dirigida en T. thermophilus de otras dos resistencias, una a bleomicina (Brouns y cols., 2005) y otra a higromicina B (Nakamura y cols., 2005).

8

Introducción

1.3.2 Selección por complementación de auxotrofías Los primeros sistemas de selección positiva en Thermus spp datan de los años 90, en los que se empezaron a utilizar sistemas de complementación de auxotrofías, inicialmente frente a triptófano, empleando el gen trpB, y posteriormente para Leucina, con el gen leuB como sistema de selección. Uno de los problemas principales que tales sistemas de selección presentaron fue la frecuencia tan elevada con la que se producían recombinaciones genéticas con los genes homólogos defectivos presentes en el cromosoma, y que generaban un elevado nivel de fondo durante las selecciones. Más recientemente se ha procedido a la adaptación del sistema de selección por prototrofía de mutantes URA tan empleado en levaduras y que combina selecciones positivas y negativas que permiten la deleción dirigida de genes. El sistema se basa en la fuerte contraselección ejercida por el ácido fluororótico sobre la orotato fosforibosil transferasa (PyrE), una enzima necesaria para sintetizar uracilo que permite la selección negativa de protótrofos. La utilización de este gen como criterio de selección en mutantes pyrE permite el desarrollo de sistemas de deleción dirigida de genes (Tamakoshi y cols., 1999), algo realmente útil para el desarrollo de cepas “a la carta” con defectos específicos para ser empleadas en procesos de selección térmica funcional de enzimas mesófilas. 1.3.3 Genes testigo de actividad termoestable Recientemente han sido empleados los genes bgaA y phoA, codificantes de una

β-galactosidasa

citoplásmica

y

una

fosfatasa

hiperalcalina

periplásmica

termoestables, que han mostrado ser de gran utilizad para el análisis de la expresión de genes in vivo (Cava y cols., 2004; Cava y cols., 2007). Ambas enzimas presentan un perfil de actividad con máximos a 85º C aproximadamente, y en el caso de PhoA, capacidad de resistencia hasta pH 13, lo que permite su utilización en un amplio rango de condiciones (Renata Moreno, Tesis Doctoral). 1.3.4 Plásmidos Existen en la actualidad plásmidos replicativos bifuncionales Thermus-E. coli derivados de tres orígenes de replicación diferentes aislados a partir de fragmentos de plásmidos crípticos presentes en tres cepas de Thermus spp, a los que se les ha incluido un replicón de E. coli. Las versiones originales de todos ellos fueron seleccionables mediante resistencia termoestable a kanamicina (Lasa y cols., 1992; de Grado y cols., 1999), aunque existen ya algunos derivados con resistencia a bleomicina (Brouns y cols., 2005) o a higromicina B (Nakamura y cols., 2005) que permiten expresar proteínas en fondos genéticos ya resistentes a kanamicina.

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Introducción

Algunos de estos plásmidos pueden ser empleados para la expresión constitutiva de proteínas en T. thermophilus mediante la generación de fusiones transcripcionales con el gen de resistencia expresado desde un promotor bastante potente, pero existen además otras versiones dotadas de un promotor derivado del operón de la nitrato reductasa que puede ser inducido por nitrato y en condiciones microaerófilas (Moreno y cols., 2003). 1.3.5 Generación de mutantes En la actualidad la obtención de mutantes de inserción dirigida del gen de resistencia kanamicina sobre cualquier gen “blanco” no esencial resulta bastante sencilla en la mayor parte de las cepas de T. thermophilus, existiendo muchos ejemplos de ello descritos (Lasa y cols., 1992b; Fernández-Herrero y cols., 1995; Ramírez-Arcos y cols., 1998b). Básicamente se trata de poner zonas anteriores y posteriores al gen blanco rodeando al de resistencia al antibiótico, y de transformar con la construcción lineal seleccionando después para la resistencia a kanamicina.. Un segundo método de obtención de mutantes consiste en la utilización de vectores suicidas que contienen el gen de resistencia termoestable a kanamicina, pero no replican en Thermus spp. El clonaje de un fragmento central del gen blanco a inactivar en estos vectores y su utilización por transformación conlleva necesariamente la integración por recombinación, seleccionada por la resistencia al antibiótico. En las cepas obtenidas lo que se obtienen son dos copias del gen mutado, una con una deleción en su extremo 3’ y la otra con una deleción en 5’, cuya extensión depende del fragmento empleado para la inactivación. Cabe destacar que actualmente es posible el aislamiento de mutantes de deleción carentes de genes de resistencia, tanto en base a la utilización del gen pyrE en cepas auxótrofas para uracilo, y su posterior eliminación por incubación con FOA (Tamakoshi y cols., 1999), tal y como se ha comentado anteriormente, como mediante el uso de vectores suicidas (no replican en Thermus spp) portadores de resistencia a kanamicina. En estos, se insertan las regiones flanqueantes al gen a delecionar, de forma que se puede forzar una inserción recombinativa del plásmido (no replicativo) sobre el gen blanco por transformación y selección en el antibiótico. Puesto que la estabilidad de estos merodiploides es relativamente baja, existe una fuerte tendencia a la pérdida del plásmido por retrorecombinación que, si el sistema está bien diseñado, debe de conducir a la obtención de un 50 % de mutantes de deleción, y otro tanto de revertientes silvestres, todos ellos ya sensibles al antibiótico. Este sistema se ha empleado por ejemplo para la obtención de mutantes sencillos y dobles de los factores traduccionales GreA y Gfh1 de T. thermophilus (Laptenko y cols., 2006).

10

Introducción

Finalmente, el estudio de genes de función esencial para el organismo es también abordable en base a la expresión de un RNA antisentido capaz de provocar un fuerte descenso en la expresión de su gen blanco, lo que permite estudiar la función biológica de genes esenciales (Moreno y cols., 2004). 1.3.6 Nuevas herramientas Además del interés biológico que suscita su carácter ancestral y su adaptación a altas temperaturas, los microorganismos termófilos constituyen una fuente muy importante de termozimas. Por ello, es necesaria la disponibilidad de nuevas herramientas para profundizar en el conocimiento de dichos organismos. Uno de los factores limitantes a la hora de la manipulación genética de los microorganismos termófilos es el escaso número de resistencias a antibióticos disponibles. Otro problema añadido de la elevada temperatura de crecimiento de estos microorganismos es que hasta la actualidad no ha habido ningún sistema de localización de estructuras, que podría ser muy útil para ampliar el conocimiento de dichos microorganismos. Debido al interés actual en la producción de enzimas termoestables, sería muy interesante disponer de sistemas de termoselección de enzimas procedentes de organismos mesófilos utilizando microorganismos termófilos como hospedadores para la selección de formas termoestables de dichas enzimas. En esta Tesis Doctoral tratamos de cubrir algunas de estas carencias en cuanto a la necesidad de disponer de nuevas herramientas deseables para este tipo de trabajo. Por un lado tratamos de obtener nuevos marcadores de resistencia a antibióticos inhibidores de la síntesis de proteínas. Por otro lado, tratamos de adaptar a T. thermophilus un sistema de localización de proteínas asociado a la fusión con mutantes de GFP, y por último, desarrollar un sistema universal de termoselección de enzimas procedentes de organismos mesófilos.

1.4 EL RIBOSOMA BACTERIANO El ribosoma es el orgánulo celular encargado de la síntesis de proteínas utilizando RNA de transferencia aminoacilado (aa-tRNA) como sustrato, a partir del RNA mensajero (mRNA). En todos los organismos, el ribosoma está formado de una subunidad grande y una pequeña, que en bacterias se nombran 50S y 30S, de acuerdo a su velocidad de sedimentación. Durante la traducción ambas subunidades se unen para formar el ribosoma 70S. La estructura 3D detallada del ribosoma bacteriano es conocida desde hace unos años (Ramakrishnan, 2002), precisamente

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Introducción

utilizando el ribosoma de T. thermophilus, lo que da a entender la utilidad de este microorganismo como modelo también en Biología Estructural. La subunidad 50S está formada por dos moléculas de rRNA (23S y 5S) y 34 proteínas (L), la subunidad pequeña tiene una molécula de rRNA 16S y 21 proteínas (S1 a S21). El ribosoma contiene tres lugares de unión para moléculas de RNA: uno para mRNA y dos para tRNA, llamados sitio A (por aceptor o aminoacil), sitio P (peptidil) y E (salida, “exit”), que están localizados en parte en ambas subunidades (Fig. 1). El lugar de unión peptidil-tRNA o lugar P acoge a la molécula de tRNA que está unida al extremo de la cadena polipeptídica en crecimiento. El lugar de unión aminoacil-tRNA o lugar A acoge a la molécula de tRNA entrante cargada con un aminoácido. La región aminoacil del tRNA se une a la subunidad 50S, donde se produce la formación del enlace de unión de un nuevo aminoácido a la cadena polipeptídica en crecimiento. Para que una molécula de tRNA se una fuertemente a cualquiera de estos dos lugares es necesario que su anticodón forme los pares de bases adecuados con el codón complementario de la molécula de mRNA que está unida al ribosoma. Los lugares A y P están tan cerca el uno del otro que las dos moléculas de tRNA se ven forzadas a aparearse con codones adyacentes de las moléculas de mRNA (Ogle y cols., 2005; Selmer y cols., 2006; Berk y cols., 2006).

A

B

Figura 1: Estructura del ribosoma por Crio-Microscopía Electrónica de E. coli (Valle y cols., 2003) mostrando la incorporación de aa-tRNA en el sitio A del ribosoma. En color naranja y verde se muestran aa-tRNA en los sitios E y P respectivamente. En el sitio A se muestra el complejo ternario durante el reconocimiento del aa-tRNA (A) y el aa-tRNA en el sitio A una vez reconocido (B). El aa-tRNA que entra en el sitio A se encuentra forzado en su posición cuando forma parte del complejo ternario (A) respecto a cuando ya se encuentra acomodado (B).

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Introducción

La subunidad pequeña del ribosoma está involucrada en la unión del mRNA y del anticodón del tRNA. Su función es discriminar entre los aa-tRNA en el sitio A durante la traducción del código genético. El modelo de un sitio en la subunidad 30S que reconoce el apareamiento codón-anticodón se propuso en la década de los 60 (Davies y cols., 1964) e implica que el ribosoma distingue apareamientos correctos de incorrectos de la misma forma que las enzimas discriminan entre sustratos correctos e incorrectos, por interacciones que dependen de la geometría del sustrato (Eigen y de Maeyer, 1966). Las interacciones adicionales con el sustrato correcto llevarían a un incremento de la especificidad del apareamiento de bases. Posteriormente se propuso que el ribosoma reconociera directamente los grupos 2’ OH de la ribosa del codón cuando el apareamiento fuera correcto (Potapov, 1982). Sin embargo, recientemente se ha postulado (Ogle y cols., 2005) que los modelos anteriores son difíciles de explicar con el hecho de que hay mutaciones que afectan la fidelidad de la traducción a pesar de encontrarse en sitios distantes (incluso en la otra subunidad) de la región de reconocimiento codón-anticodón. El modelo propuesto por Ogle y cols cambia el reconocimiento geométrico por un modelo basado en cinética. En cuanto que la molécula de tRNA iniciadora que va unida a la subunidad pequeña encuentra el codón de iniciación en la molécula de mRNA, los diferentes factores de iniciación que previamente se habían asociado con la subunidad pequeña del ribosoma se liberan, permitiendo que una subunidad grande del ribosoma se una con la pequeña. Debido a que la molécula de tRNA iniciador está unida en el lugar P del ribosoma, la síntesis de la cadena proteica puede iniciarse directamente mediante la unión de una segunda molécula de aminoacil-tRNA al lugar A del ribosoma. De esta forma se ensambla un ribosoma completo y funcional con una cadena de mRNA engarzada. A continuación se desarrollan las etapas posteriores de la fase de elongación de la síntesis de proteínas (Fig. 2).

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Introducción

El proceso de elongación de la cadena polipeptídica sobre un ribosoma se puede considerar como un ciclo de etapas discretas, se encuentra resumido en la Figura 2. GTP EF-Tu·GTP

aa-tRNA

EF-Ts

EF-Tu·GTP

GDP

E

P

A

50S

30S

Complejo Ternario

P

A

Transferencia el péptido del d

tRNA deacilado

Translocación

GDP EF-G·GTP

EF-G·GDP GTP

Figura 2: Modelo simplificado de elongación de la traducción. Se muestran los estados híbridos de la unión del tRNA en las subunidades 50S y 30S. A y P son los sitios aceptor y peptidil, respectivamente, en ambas subunidades. E es el sitio de salida de la subunidad 50S. Una molécula de aminoacil-tRNA (aatRNA) se une en un complejo con el factor de elongación Tu (EF-Tu) y GTP, formando el complejo ternario. A continuación se comprueba el correcto apareamiento del aa-tRNA con el codón del mRNA en el sitio A. El complejo ternario puede disociarse o, en el caso de que sea correcto, puede ser aceptado, en cuyo caso el GTP es hidrolizado, EF-Tu y GDP se disocian del ribosoma y el aa-tRNA se une al sitio de codificación. El subciclo de EF-Tu se completa con la regeneración del complejo ternario a partir de EF-Tu, otro aa-tRNA y GTP, el cual se ha regenerado a partir de GDP y Pi. El factor de elongación EF-Ts es crucial en la regeneración del complejo ternario a partir del complejo EF-Tu-GDP. A continuación, el extremo carboxilo de la cadena polipeptídica se desacopla de la molécula de tRNA del lugar P y se une a través de un enlace peptídico al aminoácido que se halla unido a la molécula de tRNA que se halla en el lugar A. Esta reacción central de la síntesis de proteínas está catalizada por una peptidil transferasa. El avance del ribosoma sobre el mRNA es mediado por el factor de elongación G (EF-G) en un complejo con GTP. El complejo del peptidil-tRNA unido al mRNA en el codón que acaba de ser traducido se mueve a una posición nueva del ribosoma, dejando el siguiente codón en el sitio de codificación listo para un nuevo ciclo de elongación. El EF-G y el GDP que son liberados durante la translocación son regenerados como un complejo EF-G·GTP en preparación de futuros ciclos de translocación. La cadena peptídico naciente sale del ribosoma por el sitio E. Modelo modificado a partir del publicado por Kurland (Kurland y cols., 1996).

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Introducción

Ambas

subunidades

actúan

conjuntamente

durante

el

proceso

de

translocación, que comprende el movimiento del mRNA con respecto al ribosoma. Como una parte del proceso de translocación de la molécula libre de tRNA que se ha generado en el lugar P se libera del ribosoma y vuelve a formar parte del acervo citoplasmático de moléculas de tRNA. Así, al completarse un ciclo entero de traducción, el lugar A, que se halla desocupado, puede aceptar una nueva molécula de tRNA unida al siguiente aminoácido, la cual vuelve a iniciar de nuevo el ciclo. Se ha sugerido que los cambios en la estructura de la subunidad 30S durante la traducción, al menos entre dos estados distintos, pueden afectar la correcta traducción del mensaje genético (Lodmell y Dahlberg, 1997).

S13 S9

Dominio principal 3’ (cabeza)

S10 S19 S14 S3

S7 S11 S2 Dominio central (plataforma)

S18

Sitio de decodificación de mRNA

S5 S12

S6

S4 S16

S15 S8 S17

Dominio 5’ (Cuerpo)

S20

Figura 3: Subunidad 30S del ribosoma de T. thermophilus. En color gris se muestra el rRNA 16S, los diferentes colores indican la tasa de unión de las diferentes proteínas durante el ensamblaje de la subunidad 30S (Talkington y cols., 2005).

1.4.1 Inhibidores de la síntesis de proteínas útiles como antibióticos Muchos de los antibióticos más eficaces utilizados en la medicina moderna actúan inhibiendo la síntesis proteica bacteriana. Algunos de estos fármacos aprovechan las diferencias estructurales y funcionales que existen entre los ribosomas de procariotas y de eucariotas, con el fin de afectar preferentemente a los ribosomas de procariotas. Esta selectividad permite utilizar algunos de estos compuestos en el

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Introducción

cuerpo humano a concentraciones relativamente elevadas sin que resulten demasiado tóxicos. Debido a que los diferentes antibióticos se unen a regiones diferentes de los ribosomas bacterianos, a menudo inhiben pasos diferentes del proceso de síntesis. Algunos ejemplos son la tetraciclina, que bloquea la unión de los aa-tRNA al sitio A del ribosoma, el cloranfenicol, que bloquea la reacción de la peptidil transferasa en los ribosomas, La eritromicina, que bloquea la reacción de translocación en los ribosomas, la higromicina B, que interfiere en la translocación y la estreptomicina, que impide la transición desde el complejo de iniciación a la elongación de la cadena por el ribosoma y provoca errores de decodificación mediante la incorporación de aminoácidos incorrectos (Davies y cols., 1964). En este último caso hay pruebas acerca de la acción de la estreptomicina desde un punto de vista cinético; se ha visto que la estreptomicina disminuye la activación de GTPasa y la acomodación de aa-tRNA correctos mientras que incrementa la de aa-tRNA no correctos (Rodnina y cols., 2002; Gromadski y Rodnina, 2004). Algunos de estos antibióticos aminoglicósidos, entre los que se incluyen la estreptomicina, kanamicina y neomicina, se unen a la subunidad 30S del ribosoma en zonas, no solapantes entre sí, pero cercanas al centro funcional (Carter y cols., 2000). Por ejemplo, los antibióticos kanamicina y neomicina an exclusivamente con la hélice 44 del rRNA 16S (Fourmy y cols., 1996; Vicens y Westhof, 2002), así como la Higromicina B (Brodersen y cols., 2000; Pfister y cols., 2003; McGaha y Champney, 2007). Por otra parte, la estreptomicina a con múltiples elementos estructurales de la subunidad 30S, incluyendo la proteína S12 y las hélices 1, 18, 27 y 44 del rRNA 16S (Carter y cols., 2000).

Figura 4: Estructura de la estreptomicina. Este antibiótico fue el primer aminoglucósido descubierto, deriva de la actinobacteria Streptomyces griseus. Aislado en 1943, fue el primer antibiótico utilizado contra la tuberculosis.

No está claro del todo el mecanismo por el cual algunas mutaciones ribosómicas confieren resistencia a estreptomicina. Algunas de estas mutaciones

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Introducción

están situadas en posiciones del ribosoma que no hacen o directo con la estreptomicina. Se ha visto que la mutación A1408G en la hélice H44 del rRNA 16S produce resistencia a estreptomicina en T. thermophilus aún cuando el antibiótico no tiene o directo con A1408, que se encuentra en el lado opuesto de la hélice (Gregory y cols., 2005), sino con C1490 y G1491. A1492 y A1493 participan directamente en el reconocimiento codón-anticodón durante el proceso de selección de tRNA, lo que provoca un cambio de una conformación “cerrada” o “arropada” (“tucked in”) a una conformación “abierta” o “excitada” (“flipped out”) (Ogle y Ramakrishnan, 2002). En la posición “arropada, A1492 y A1493 se encuentran apiladas en la hélice H44; además, 1493 aparea con A1408 (Wimberly y cols., 2000; Lynch y Puglisi, 2001). En presencia de estreptomicina este cambio de conformación se ve impedido, pero se ha propuesto que la mutación A1408G favorece una conformación que sobrepone la inhibición impuesta por la Estreptomicina (Fig. 5).

A1493 A1492

A1493

G1494

G1494

A1492

C1407

C1407 Estreptomicina A1408

A1408 G1491

G1491 C1409

C1409

Figura 5: Hélice H44 del rRNA 16S. Representación de parte de la hélice H44 del rRNA 16S de la subunidad 30S del ribosoma. La posición de A1492 y A1493 cambia en la conformación “excitado” (PDB 1FJG) (izquierda) respecto a la posición en la conformación “arropado” (PDB 1J5E) (derecha) (Wimberly y cols., 2000).

Los ribosomas de los mutantes resistentes/dependientes a estreptomicina son en muchas ocasiones más restrictivos debido a una edición (“proofreading”) superior a lo habitual (mutaciones str). Esto es en gran medida una manifestación de la reducción de afinidad de unión del complejo ternario al ribosoma (Bohman y cols., 1994; Bilgin y cols., 1992; Ogle y cols., 2005). La pérdida de eficiencia cinética resultante causa una reducción en la procesividad (tasa de elongación) y una tasa de crecimiento reducida (Ruusala y cols., 1984). El fenotipo restrictivo (edición incrementada) puede describirse como una reducción de los errores de traducción a expensas de una procesividad óptima. Además de estas mutaciones str, hay otro tipo de mutaciones,

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Introducción

ram (“ribosomal ambiguity”), que no son restrictivos e introducen una alta tasa de errores durante la traducción. Estas mutaciones ram se encontraron en las proteínas S4 (Zimmerman y cols., 1971) y S5 (Hasenbank y cols., 1973; Piepersberg y cols., 1975) y podrían interferir la interacción mediante puentes salinos entre las proteínas S4 y S5 en la forma abierta de la subunidad 30S. Al cerrarse este dominio la interacción se ve interferida por un movimiento de separación entre ambas proteínas (Ogle y Ramakrishnan, 2002). La ruptura de los enlaces podría contribuir al coste energético de llegar a una estructura cerrada. Si esa interacción entre S4 y S5 se viera interferida debido a las mutaciones ram, el coste energético sería más bajo y podría resultar en una mayor probabilidad de que un aa-tRNA no correcto cerrara la estructura, lo que llevaría a una selección incorrecta (Ogle y cols., 2005). Los mutantes restrictivos tienen un efecto opuesto. Examinando la estructura de la proteína S12 y del rRNA 16S, se ve que en la forma cerrada se producen os adicionales entre ellas, lo cual lleva a su estabilización. Las mutaciones que interfieren estos os adicionales podrían llevar a la desestabilización de la forma cerrada e incrementar la barrera energética para su formación, lo que llevaría a un incremento en la exactitud de la traducción aún a expensas de la velocidad. (Ogle y cols., 2005).

1.4.2 Proteína S12 El operón str es uno de los más conservados en la evolución de los organismos procariotas (Itoh y cols., 1999; Koonin y Galperin, 1997). Está compuesto por cuatro genes: rpsL (que codifica la proteína ribosómica S12), rpsG (proteína ribosómica S7), fus (factor de elongación G, EF-G) y tufA (factor de elongación Tu, EF-Tu). El operón se transcribe desde su propio promotor (Post y cols., 1978) y está sometido a control traduccional por parte de uno de los componentes que codifica (S7). La proteína ribosomal S12 es una proteína altamente conservada localizada en el centro funcional de la subunidad 30S del ribosoma. A partir de cristales de alta resolución de la subunidad 30S de T. thermophilus se ha visto que la proteína S12 juega un papel importante en el proceso de selección del tRNA (Carter y cols., 2000; Ogle y Ramakrishnan, 2002; Wimberly y cols., 2000, Vila-Sanjurjo y cols., 2007). Durante el proceso de selección del tRNA se producen os sucesivos entre la proteína S12 con algunos elementos estructurales importantes del rRNA 16S (Carter y cols., 2000; Ogle y Ramakrishnan, 2002) y con la subunidad 50S (Wimberly y cols., 2000) (Fig. 6). Hay pruebas de que la proteína ribosomal S12 modula un cambio conformacional en la hélice 27 (H27) del rRNA 16S (Lodmell y Dahlberg, 1997) y

18

Introducción

puede influir en un equilibrio dinámico entre dos estados conformacionales alternos del ribosoma durante el ciclo de elongación (Allen y Noller, 1989; Lodmell y Dahlberg, 1997). Se ha visto que algunas mutaciones en S12 estimulan la translocación no enzimática (independiente de EF-G) (Asatryan y Spirin, 1975). Se piensa que las mutaciones conocidas en S12 que afectan la precisión de la lectura lo hacen porque afectan la estabilidad de dichas interacciones.

CABEZA

A

B

PLATAFORMA

PICO

HOMBRO CUERPO

ESPUELA

Figura 6: Subunidad 30S de E. coli. (A) y zona de codificación del ribosoma (B). Las hélices H18, H27 y H44 del rRNA 16S están coloreadas de rojo, amarillo y cian respectivamente. La proteína S12 está coloreada de azul oscuro. Los nucleótidos y aminoácidos se muestran en color verde.

Las mutaciones en el gen rpsL, que codifica la proteína S12, a menudo afectan la respuesta de la célula a estreptomicina, que causa errores de lectura del código genético. Se conocen distintos fenotipos según la respuesta de la célula a la estreptomicina,

incluyendo

sensibilidad,

resistencia,

pseudo-dependencia,

dependencia e independencia (Gale y cols., 1981; Gregory y cols., 2001). Estas mutaciones se encuentran agrupadas en dos zonas de la proteína S12 que están muy próximas a H18, H27 y H44, que son elementos clave del rRNA 16S (Fig. 7). Las mutaciones en H18 y H27 también confieren resistencia a estreptomicina en varios organismos (Powers y Noller, 1991; Lodmell y cols., 1995; Triman y cols., 1998) y la conformación de H27 y H44 se ve perturbada por algunas mutaciones en S12 que confieren dependencia a estreptomicina (Allen y Noller, 1989).

La severidad del

19

Introducción

fenotipo puede ser entendida en el contexto de la transición abierta-cerrada que se produce durante la selección del tRNA (Ogle y Ramakrishnan, 2002). Estas mutaciones pueden perturbar el equilibrio conformacional hacia el estado abierto en diversos grados, con las mutaciones que causan dependencia como las más severas (Ogle y Ramakrishnan, 2002). En este caso la estreptomicina puede actuar reestableciendo el equilibrio. Los fenotipos de pseudo-dependencia y algunos de resistencia pueden alterar también este equilibrio aunque en un grado menor. Poco se conoce acerca de la base estructural de la dependencia a estreptomicina o acerca de la naturaleza de las alteraciones de la cadena lateral que pueden influenciar este fenotipo; se ha visto que una mutación en un aminoácido concreto de la proteína S12 confiere dependencia o resistencia a estreptomicina dependiendo del tamaño de la cadena lateral del aminoácido cambiado (Gregory y cols., 2001; Carr y cols., 2005). Por ejemplo, los ribosomas mutantes de E. coli que portan en la proteína S12 las mutaciones P90R, P90L, P90E, P90M y P90W confieren un fenotipo de dependencia a estreptomicina; por otro lado, los mutantes con cadenas laterales más pequeñas, como P90A, P90G y P90C, confieren un fenotipo de resistencia a estreptomicina.

H28

A

C1490

B H27

G1491 A914

H1

K45 (S12)

Strp H44

A913

H18

S12

U14

G527

C526

Figura 7: Interacción de la Estreptomicina con la subunidad 30S. A) Sitio de unión de la estreptomicina, se muestra la interacción con H1, H18, H27, H44 y la proteína S12. B) Estructura química de la estreptomicina, se muestran las interacciones de varios grupos con residuos específicos del ribosoma.

No todas las mutaciones que confieren un fenotipo respecto a estreptomicina se reducen a en un único cambio de aminoácido. Se ha descrito un proceso en E. coli por el cual se produce una segunda mutación en el gen rpsL de bacterias con una mutación previa que les confería dependencia a estreptomicina (Timms y Bridges, 1993). Estas mutaciones auxiliares parece que se producen pocas generaciones después de la primera mutación en alguna clase de proceso de hipermutación.

20

Introducción

Aunque las mutaciones espontáneas en las que se produce una sustitución de una base varían según el tipo de secuencia, se considera que se trata de un evento inusual (10-9 – 10-10 por par de bases y generación, 10-6 – 10-7 por gen) que se produce al azar entre los diferentes genes, excepto en colonias viejas en placa, donde se han encontrado tasas de mutación anormalmente superiores tras varios días (Cairns y cols., 1988). El hecho de que se acumulen mutaciones auxiliares en S12 es por tanto muy improbable y solo puede ser debido a algún proceso de hipermutación y selección.

1.5 GFP COMO HERRAMIENTA DE LOCALIZACIÓN Y SELECCIÓN La proteína verde fluorescente (GFP, “Green Fluorescent Protein”) es una proteína de 238 aminoácidos que es fluorescente de manera espontánea; fue aislada de la medusa Aequorea victoria (Shimomura y cols., 1962). El clonaje de gfp y la demostración de que GFP podía expresarse funcionalmente en procariotas (E. coli) y eucariotas (Caenorhabditis elegans) (Chalfie y cols., 1994) abrieron nuevas vías de investigación en Biología Celular, Molecular y del Desarrollo. GFP ha sido expresada en bacterias, levaduras, hongos, plantas, Drosophila, pez cebra y células de mamífero (Yang y cols., 1996). Desde entonces se ha utilizado GFP como marcador de proteínas ya que una amplia variedad de proteínas conservan su función nativa incluso estando fusionadas en los extremos N-terminal o C-terminal con GFP (Tsien, 1998; Zimmer, 2002; Giepmans y cols., 2006). La estrategia general para la construcción de fusiones con GFP es mediante PCR para introducir dianas de restricción tanto en gfp como en el gen de interés para crear fusiones en plásmidos recombinantes. El gen reportero gfp puede fusionarse en el extremo 5’ o 3’ del gen de interés para crear fusiones amino- o carboxilo- terminal respectivamente. La elección de uno u otro se hace a menudo por predicción de qué región de la proteína tolerará con mayor probabilidad la adición de aminoácidos adicionales sin pérdida de función. En el caso de fusiones de GFP con proteínas de membrana, GFP debe estar unida a un dominio que esté expuesto al lado citoplasmático de la membrana. En ocasiones también es necesario añadir una secuencia de nexo o unión entre la proteína de interés y GFP para evitar interferencias no deseadas (Prescott y cols., 1999).

Mediante esta aplicación se han podido resolver muchas preguntas acerca de la organización subcelular de las células bacterianas, que no habían podido resolverse previamente en parte debido a su pequeño tamaño (Tabla 2). El estudio tradicional de

21

Introducción

la

localización

macromolecular

en

bacterias

incluye

microscopía

de

inmunofluorescencia e inmunomarcaje con oro. Aunque estos métodos se han utilizado con efectividad, su uso está limitado al requerimiento de anticuerpos específicos contra la proteína de interés. Los anticuerpos contra proteínas de baja expresión pueden ser difíciles de obtener; además requieren la fijación de las células, lo que impide la investigación de células vivas. Por otro lado, las fusiones de gfp con proteínas de interés pueden construirse con relativa facilidad y en general su sensibilidad es superior a la de la detección molecular. También se encontraron limitaciones a su uso: la GFP silvestre formaba cuerpos de inclusión a 37º C, la formación del cromóforo era lenta, la intensidad de la señal era relativamente baja y se requerían de filtros especializados para una excitación óptima, aunque la mayor parte de estos problemas han sido superados (Phillips, 2001). Procesos celulares División celular y septación Partición de cromosomas Proteínas de partición de cromosomas y plásmidos Replicación de DNA y estructura Partición de plásmidos Exportación de proteínas Transducción de señales Esporulación Transcripción y traducción

Proteína y función (fuente) FtsZ – División celular (E. coli) E. coli

Referencia Sun y Margolin, 1998 Webb y cols., 1998

ParC (topoisomerasa IV)(B. subtilis)

Huang y cols., 1998

SeqA – Inicio replicación (E. coli) Plásmidos multicopia (E. coli) Exportación Sec-dependiente (E. coli) CckA – Quinasa (C. crescentus) SigE – Factor Sigma (B. subtilis) Proteína ribosómica S2 (B. subtilis)

Brendler y cols., 2000 Pogliano y cols., 2001 Feilmeier y cols., 2000 Jacobs y cols., 1999 Ju y cols., 1998 Lewis y cols., 2000

Tabla 2: Ejemplos de fusiones proteína-GFP. Se muestran algunos ejemplos utilizados para la caracterización de procesos celulares bacterianos.

Desde hace años se han generado diversas variantes de GFP que pliegan de manera más eficiente que la GFP silvestre. Una variante, llamada frGFP (“folding reporter”), porta las mutaciones F99S, M153T y V163A (Cormack y cols., 1996) y las mutaciones F64L y S65T de la eGFP (“enhanced”) (Patterson y cols., 1997). Recientemente se ha encontrado otra variante, llamada sGFP (“superfolder”), que contiene todas las mutaciones de frGFP y seis nuevas mutaciones: S30R, Y39N, N105T, Y145F, I171V Y A206V (Pédelacq y cols., 2006) (Fig. 8). sGFP pliega eficientemente cuando se fusiona a polipéptidos de mal plegamiento (Pédelacq y cols., 2006). Además, sGFP muestra una tolerancia incrementada a la permutación circular, mayor resistencia a desnaturalizantes químicos y una cinética de plegamiento superior respecto a frGFP. sGFP pliega unas 3.5 veces más rápido que frGFP, es más estable por 2.3 kcal mol-1 ΔG(H2O) y exhibe una interferencia al plegamiento menor de los polipéptidos fusionados.

22

Introducción

Uno de los problemas no superados ha sido el disponer de una GFP funcional a altas temperaturas para poder ser utilizada en organismos termófilos, como T. thermophilus, y poder así conocer más acerca de la organización subcelular de las células bacterianas.

Figura 8: Estructura 3D de variantes de GFP. Se muestra la estructura de frGFP (izquierda) y sGFP (derecha). Los aminoácidos señalados indican los aminoácidos de frGFP (izquierda) y su correspondiente mutación para dar sGFP (derecha).

1.6 INTERFERÓN GAMMA HUMANO La familia de los interferones (IFNs) fue descubierta originalmente como agentes que interferían en la replicación viral (Isaac y Lindermann, 1957). Inicialmente se clasificaron según el tipo de célula secretora pero ahora se clasifican en tipo I y tipo II (recientemente se ha añadido un tipo III aunque no está tan aceptado como los otros dos tipos) según la especificidad a receptores y la homología de secuencia. Los IFNs de tipo I están compuestos por múltiples subtipos de IFN-α (14-20, dependiendo de las especies), IFN-β, IFN-ω e IFN-τ, todos los cuales están relacionados estructuralmente y se unen a un receptor heterodimérico común (IFNAR) (Schroder y cols., 2004). Aunque los IFNs tipo I son secretadas a niveles bajos por casi todos los tipos de células, las hematopoyéticas son los mayores productores de

IFN-α

e IFN-ω,

mientras que los fibroblastos son los productores mayoritarios de IFN-β (Bach y cols., 1997). El IFN-γ es el único tipo de IFN tipo II, no está relacionado estructuralmente con los IFNs tipo I, se une a un receptor diferente y está codificado por un locus cromosómico

23

Introducción

diferente. Inicialmente se pensaba que las células Th1, linfocitos citotóxicos y células NK eran las únicas productoras de IFN-γ (Young, 1996; Bach y cols., 1997). Sin embargo, en la actualidad existen indicios de que otros tipos celulares, como células B y células presentadoras de antígenos (APCs) secretan IFN-γ (Schroeder y cols., 2004). La producción por APCs actuando localmente puede ser importante en la autoactivación celular y en la activación de células cercanas. La secreción de IFN-γ por células NK y posiblemente por APCs seguramente es importante en la defensa temprana del hospedador contra infecciones, mientras que los linfocitos T se convierten en la mayor fuente de IFN-γ durante la adaptación de la respuesta inmune (Schroeder y cols., 2004). Recientemente se ha descubierto un tercer tipo de IFN, el tipo III, que engloba 3 subtipos de IFN-λ (Vilcek, 2003). La producción de IFN-γ es controlada por citoquinas secretadas por las APCs, sobre todo IL-12 e IL-18. Estas citoquinas sirven como puente entre la infección y la producción de IFN-γ durante la respuesta inmune innata (Schroeder, 2004). El reconocimiento de muchos patógenos por parte de los macrófagos induce la secreción de IL-12 y de quimioquinas, que atraen a las células NK al lugar de la inflamación; IL12 por su parte promueve la producción de IFN-γ en las células NK. En macrófagos, células T y NK, la combinación de la estimulación de IL-12 e IL-18 incrementa aún más la producción de IFN-γ (Schroeder y cols., 2004). Los reguladores negativos de la producción de IFN-γ incluyen IL-4, IL-10, TGF-β y glucocorticoides. El IFN-γ se emplea actualmente como agente terapéutico para el tratamiento de enfermedades como la fibrosis intersticial pulmonar (Ziesche y cols., 1996) y la granulomatosis (Bolinger y Taeubel, 1992) gracias a su actividad antiviral, antitumoral (Schroder y cols., 2004) e inmunoreguladora (Gray y Goeddel, 1982). Es una glicoproteína de 166 aminoácidos cuya secuencia fue publicada en 1982. Tiene actividad biológica como homodímero (34-50 kDa) y está formado por dos subunidades peptídicas unidas no covalentemente (Farrar y Schreiber, 1993). La estructura 3D (Thiel y cols., 2000) muestra que cada una de las subunidades consta de seis alfa-hélices y dos sitios potenciales de N-glicosilación en las posiciones 48 y 120 (Aggarwal, 1992) (Fig. 9). De todos los interferones, la estabilidad a la temperatura del IFN-γ humano es la más baja (temperatura de desnaturalización de 52º C) y con la vida media más corta.

24

Introducción

Figura 9: Estructura 3D del Interferón Gamma (IFN-γ) humano. Cada una de las dos cadenas del homodímero se muestra de un color.

25

OBJETIVOS

Objetivos

Los organismos termófilos o hipertermófilos están cobrando un gran interés en diversos campos, con aplicaciones biotecnológicas, industriales y como modelos en biología estructural. En cuanto a aplicaciones biotecnológicas se refiere, en la actualidad se han clonado, secuenciado y caracterizado más de 50 DNA polimerasas de termófilos e hipertermófilos para su uso en la técnica de PCR, destacando la DNA polimerasa de Thermus aquaticus (Taq), T. thermophilus (Tth) y las procedentes de las arqueas hipertermófilas Pyrococcus furiosus (Pfu) y Pyrococcus woeseii (Pwo). En la industria, se están empezando a emplear con éxito diversas enzimas procedentes de microorganismos termófilos o hipertermófilos, como α-amilasas (Thermus spp), βamilasa (Clostridium thermosulfurogenes), pululanasas y celulasas (P. furiosus), βgalactosidasas (Thermus y Thermotoga), proteasas (B. stearothermophilus), entre otros. En cuanto a sus aplicaciones en biología estructural es interesante destacar la cristalización del ribosoma 70S y la RNA polimerasa de T. thermophilus. Estos datos muestran que este tipo de microorganismos son muy importantes como modelos biológicos, por lo que sería muy interesante disponer de un mayor número de herramientas para su estudio, ya que en la actualidad aún son escasas. Para aumentar el número de herramientas deseables disponibles para trabajar con estos microorganismos, en especial con T. thermophilus, hemos propuesto como principales objetivos de este trabajo: 1. Desarrollar vectores con marcadores de resistencia alternativos a la kanamicina. 2. Desarrollar marcadores termoestables de localización en T. thermophilus. 3. Diseñar sistemas de selección de proteínas termoestables basados en su crecimiento en T. thermophilus.

26

MATERIALES Y MÉTODOS

Materiales y Métodos

3.1 MATERIAL BIOLÓGICO 3.1.1 Cepas utilizadas Las cepas de E. coli y T. thermophilus empleadas en este trabajo se describen en la tabla 3.

Tabla 3: Cepas utilizadas en este trabajo.

Estirpe

Genotipo

Referencia

E. coli DH5α

supE44 ΔlacU169 (Φ80 lacZΔM15) hsdR17 recA1 endA1 gyrA96 thi-1 relA1

Hanahan, 1983

E. coli BL21(DE3)

hsdS gal (λcIts857 ind1 Sam7 nin5 lacUV5-T7 gene 1)

Rosenberg y cols., 1987

E. coli DH10B

FmcrA (mrr-hsdRMS-mcrBC) 80dlacZM15 lacX74 deoR recA1 araD139 (ara leu)7697 galU galK rpsL endA1 nupG

Invitrogen

Estirpe

Genotipo/Características

Referencia

T. thermophilus NAR1

Silvestre. Elemento NCE. Facultativo

Cava y cols., 2007

T. thermophilus HB27

Silvestre. Aerobio

Cedida por el Dr. Koyama

T. thermophilus HB27c

T.thermophilus HB27 Camr::nar transferido por conjugación. Facultativo

Ramírez-Arcos cols., 1998b

T. thermophilus HB27 ΔleuB

T. thermophilus HB27 ΔleuB. Facultativo

Datos de laboratorio (M. Sánchez)

T. thermophilus HB27c ΔleuB

T. thermophilus HB27 transformado con nar y eliminado el gen leuB

Datos de laboratorio (M. Sánchez)

T. thermophilus HB27c narC

T. thermophilus HB27c::nar, narC::kat

Zafra y cols., 2002

T. thermophilus CKN2

T. thermophilus NAR1 narC::kat.

Zafra y cols., 2002

T. thermophilus HB27 phoA

T. thermophilus HB27 phoA::kat

Moreno y cols., 2003

T. thermophilus HB27c phoA

T. thermophilus HB27c phoA::kat

Este trabajo

T. thermophilus HB27c csaB

T. thermophilus HB27c csaB::kat

Cava y cols., 2004

T. thermophilus HB27 gfh1

T. thermophilus HB27 ΔleuB gfh1 ::kat

Laptenko 2006

T. thermophilus ΔnarC

T. thermophilus HB27 ΔnarC

Este trabajo

y

y

cols.,

27

Materiales y Métodos

3.1.2 Plásmidos utilizados Los plásmidos utilizados en este trabajo se resumen en la tabla 4. Tabla 4: Plásmidos utilizados.

Nombre

Marcador/Utilidad

Referencia

pUC18

Ampr, Plac-lacZ' Vector de clonaje.

Vieira y Messing, 1982

r

pUC18Not

Vector de clonaje. Modificado Amp , Plac-lacZ' para que posea dianas de la enzima NotI a ambos lados del sitio de policlonaje.

Datos de laboratorio

pBluescriptKS/SK

Ampr, Plac-lacZ’ Vector de clonaje. Utilizado para el clonaje a romos de productos de PCR amplificados con Pfu.

Stratagene

PCR2.1

Ampr, Kanr, Plac-lacZ’ Promotores T7 y SP6. Vector utilizado para el clonaje de productos de PCR.

Invitrogen

pMK18

Kanr, promotor del gen bifuncional, Thermus-E. coli.

De Grado y cols., 1999

pKT1

Ampr, Kanr bajo el promotor del gen slpA (Ps). Purificación del gen de resistencia a kanamicina para mutagénesis insercional.

Lasa y cols., 1992

pK18

Kanr. pUC18 modificado para sustituir la resistencia a ampicilina por kanamicina. Se intentó hacer mutagénesis por integración en T. thermophilus.

L. A. FernándezHerrero (datos de laboratorio)

pNIT3Bg

Ampr. Derivado de pUC119. Contiene un fragmento de DNA de 4 kpb que codifica la región promotora (Pnar), el primer gen (narC) y la parte inicial del segundo gen (narG) del operón de la nitrato reductasa.

Sandra Ramírez, Tesis Doctoral.

pKΔcitNde

Inserto de pNIT3Bg, delecionado narC y añadida una diana NdeI en el ATG de narG, por PCR inversa. Se clona a KpnI en pK18, Plac y Pnar quedan en la misma dirección.

Zafra y cols., 2002

pMKE2

Kanr. Promotor de la nitrato reductasa de T. thermophilus HB8 (Pnar). Plásmido bifuncional capaz de replicar en E. coli y distintas especies de Thermus, permite la expresión controlada de genes heterólogos en T. thermophilus. Incluye posibilidad de fusión traduccional en el extremo carboxilo terminal.

Moreno y cols., 2003

pMKEbgaA

Derivado de pMKE por inserción del gen bgaA para su expresión controlada en Thermus. Gen testigo citoplásmico.

Moreno y cols., 2003

pMKEPA

Fosfatasa Alcalina clonada NdeI/SalI en el pMKE para su expresión controlada en Thermus. Gen testigo citoplásmico.

Moreno y cols., 2003

pGEM-T

Ampr. Plac-lacZ’ Promotores T7 y SP6. Vector utilizado para el clonaje de productos de PCR.

Promega

pT8S-P31-hphA

Higr. Vector bifuncional, Thermus-E. coli.

Nakamura y cols., 2005

slpA

(Ps).

Vector

28

Materiales y Métodos

pNCK-IFNγ M1

Derivado de pNCK por inserción del gen que codifica la proteína IFN-γ::K43E, clonada a NcoI/NotI. Control en ensayos de termoestabilidad.

Lunn y cols., 1992

pNCK-IFNγ M2

Derivado de pNCK por inserción del gen que codifica la proteína IFN-γ::Q133L clonada a NcoI/NotI. Control en ensayos de termoestabilidad.

Biométhodes

pNCK-IFNγ M3

Derivado de pNCK por inserción del gen que codifica la proteína IFN-γ que contiene un codón de parada 30 pares de bases antes del final, clonada a NcoI/NotI. Control en ensayos de termoestabilidad.

Biométhodes

pNCK-IFNγ M4

Derivado de pNCK por inserción del gen que codifica la proteína IFN-γ::E30C/S92C, clonada a NcoI/NotI. Control en ensayos de termoestabilidad.

Waschutza 1996

pNCK-IFNγ Δ10

Derivado de pNCK por inserción del gen que codifica la proteína IFN-γ:: Δ10, clonada a NcoI/NotI. Control en ensayos de termoestabilidad.

Slodowski y cols., 1991

pNCK-

Derivado de pNCK, no contiene la secuencia en posición 5’ del gen kat. Control en ensayos de termoestabilidad.

Biométhodes

pUC18gfh1

Derivado de pUC18 por inserción del gen gfh1, clonado a EcoRI/SalI.

Laptenko y cols., 2006

pMHbgaA

Derivado de pMH184 por inserción del gen bgaA clonado NdeI/HindIII.

Cava y cols., 2007

pMHnqobgaA

Derivado de pMHbgaA por inserción de la región promotora del operón nqo, clonado a XbaI/NdeI.

Cava y cols., 2007

pMHnarbgaA

Derivado de pMHbgaA por inserción de la región promotora del operón nar, clonado a XbaI/NdeI.

Cava y cols., 2007

pET28bglu

Derivado de pET28b por inserción del gen bgl, clonado a NdeI/HindIII.

Eloy Ferreras

pMKPnqobgaA

Derivado de pMKEbgaA por inserción del promotor del operón nqo en sustitución del promotor del operón nar, clonado a XbaI/NdeI.

Cava y col., 2007

pMKsGFP

Kanr. Vector derivado de pMK18 que expresa la forma termoestable de la GFP (sgfp) bajo el control del promotor PslpA.

Cedido por Dr. Westblade y Dr. Waldo

pMKPnarsGFP

Derivado de pMKEbgaA por inserción del gen que codifica sGFP en sustitución de bgaA, clonado a NdeI/HindIII.

Cava y cols., 2007b

pMKPnqosGFP

Derivado de pMKPnqobgaA por inserción del gen que codifica sGFP en sustitución de bgaA, clonado a NdeI/HindIII.

Cava y cols., 2007b

y

cols.,

29

Materiales y Métodos

3.1.3 Plásmidos construidos en este trabajo Los plásmidos construidos en este trabajo se describen en la tabla 5.

Tabla 5. Plásmidos construidos en este trabajo.

Nombre

Marcadores/Origen / Construcción/ Usos

pMK18ΔBamHI

Derivado de pMK18 por eliminación de la diana BamHI del replicón de Thermus.

11

pMK184

Derivado de pMK18ΔBamHI por eliminación de la diana BamHI.

11

pMK184rpsL1

Derivado del pMK184 por inserción del gen rpsL clonado a EcoRI/HindIII desde Bluescript KS-rpsL. Ensayo de complementación.

24

Strr. Derivado de pUC18 por inserción del gen rpsL en sentido contrario a lacZp, clonado a NdeI. Las dianas de restricción se añadieron al gen rpsL mediante PCR. Marcador de resistencia a estreptomicina.

25

Strr. Derivado de pUC18 por inserción del gen rpsL en el mismo sentido que lacZp, clonado a NdeI. Las dianas de restricción se añadieron al gen rpsL mediante PCR. Marcador de resistencia a estreptomicina.

25

pS18a-narC

Derivado de pS18a por inserción del gen narC clonado a KpnI desde pNIT3Bg. Ensayo de complementación.

31

pS18a-PA

Derivado de pS18a por inserción del gen phoA clonado a XbaI/SalI desde pMKEPA. Ensayo de complementación.

31

pS18a-bgaA

Derivado de pS18a por inserción del gen bgaA clonado a XbaI/HindIII desde pMKE1bgaA. Ensayo de complementación.

31

pMS18-narC

Derivado de pMS18 por inserción del gen narC clonado a KpnI desde pNIT3Bg. Ensayo de complementación.

31

pMS18-PA

Derivado de pMS18 por inserción del gen phoA clonado a XbaI/SalI desde pMKEPA. Ensayo de complementación.

31

pMS18-bgaA

Derivado de pMS18 por inserción del gen bgaA clonado a XbaI/HindIII desde pMKEbgaA. Ensayo de complementación.

31

pS18a-gfh1

Derivado de pS18a por inserción del gen gfh1 clonado a EcoRI/SalI desde pUC18gfh1. Ensayo de complementación.

31

pMS18-gfh1

Derivado de pMS18 por inserción del gen gfh1 clonado a EcoRI/SalI desde pUC18gfh1. Ensayo de complementación.

31

pMS18

Derivado de pUC18 por inserción del replicón de Thermus (repA), clonado a NdeI desde pMK184. Dianas de restricción NdeI añadidas al gen repA por PCR. Marcador de resistencia a estreptomicina multicopia.

28

pS18a

pS18b

pS18aΔnarC

pMK184narC

Figura

Derivado de pS18a por inserción a KpnI del fragmento ΔcitNde desde pKΔcitNde. Utilizado para la generación del mutante T. thermophilus HB27 Δnar.

Descrito en

Derivado de pMK184 por inserción del gen narC clonado a KpnI desde pNIT3Bg. Ensayo de complementación.

Descrito en

4.2.11

4.2.11

30

Materiales y Métodos

Higr. Derivado de pMK184 por inserción del gen hph clonado a NdeI/BglII Las dianas de restricción se añadieron al gen hph mediante PCR. Marcador de resistencia a higromicina.

12

Derivado de pUC18 por inserción del replicón de Thermus (repA), clonado a NdeI desde pMS18. repA se encuentra en sentido contrario a Plac. Paso intermedio para el clonaje de pNCK.

39

Derivado de pUC18Rep por inserción del gen kat, clonado a BamHI desde pKT1. El gen kat se encuentra en sentido contrario a Plac. Comprobación de funcionamiento del sistema basado en pNCK.

39

Derivado de pUC18 por inserción del gen kat, clonado a EcoRI/HindIII desde pUC18Rep. En posición 5’ del gen kat se encuentra una secuencia que codifica 9 aminoácidos. Generación de genotecas para ensayos de termoestabilidad.

39

Derivado de pNCK por inserción del gen que codifica la proteína IFN-γ, clonada a NcoI/NotI. Control en ensayos de termoestabilidad.

39

pMHbglu

Derivado de pMH184 por inserción del gel bgl, clonado a XbaI/HindIII.

16

pMHnqobglu

Derivado de pMHbglu por inserción de la región promotora del operón nqo, clonado a EcoRI/XbaI.

16

pMHnarbglu

Derivado de pMHbglu por inserción de la región promotora del operón nar, clonado a EcoRI/XbaI.

16

pMHPnqosGFP

Derivado de pMH184 por inserción del fragmento Pnqo-sGFP desde pMKPnqo-sGFP, clonado a XbaI/HindIII.

33

pMHPnqoeGFP

Derivado de pMHPnqosGFP por inserción del gen que codifica eGFP en sustitución del gen que codifica sGFP, clonado a NdeI/HindIII.

33

pMHGroE-sGFP

Derivado de pMHPnqosGFP por inserción del gen hsp10 clonado a BcuI/ClaI.

35

pMHPhoA-sGFP

Derivado de pMHPnqosGFP por inserción del gen phoA clonado a BcuI/ClaI.

35

pMH184

pUC18Rep

pUC18RepKAT

pNCK

pNCK-IFNγ

31

Materiales y Métodos

3.1.4 Antisueros usados en este trabajo Los antisueros utilizados en este trabajo se muestran en la tabla 6.

Tabla 6: Antisueros utilizados.

Nombre

Características

Referencia

GAR-HRP

Anticuerpo de cabra, anti-IgG de conejo, conjugado con peroxidasa de rábano. Anticuerpo secundario en Westernblot.

Biorad

α-Gfh1

Anticuerpo policlonal de conejo contra proteína Gfh1 utilizado en ensayos de Western blot.

Laptenko y cols., 2006

α- IFN-γ

Anticuerpo policlonal de conejocontra proteína IFN-γ humana utilizado en ensayos de Western blot.

Biosource

α- GFP

Anticuerpo de conejo contra proteína GFP desnaturalizada de Aqueorea victoria utilizado en ensayos de Western blot.

Invitrogen

3.2 MATERIAL QUÍMICO Y BIOQUÍMICO. 3.2.1 Tampones y otras soluciones. La tabla 7 resume la composición y utilidad de los tampones y otras soluciones usados en este trabajo.

Tabla 7: Tampones y otras soluciones.

Nombre

Composición

Utilidad

Tampón TAE 1x

Tris-acetato 40 mM pH 8; EDTA 1 mM

Electroforesis en geles de agarosa

Tampón TE 1x

Tris 10 mM pH 8, EDTA 1 mM

Lavado de extractos celulares

Tampón de ruptura de Laemmli 5X

Tris-HCl 300 mM pH 6.8, SDS 5 %, βmercaptoetanol 10 %, glicerol 50 %, azul de bromofenol 0.002%, 25 mM EDTA

Preparación de muestras de proteínas para su análisis en SDS-PAGE

Tampón de electroforesis 5X

Tris 125 mM pH 8.8, glicina 1 M, SDS 20 mM

Tampón para SDS-PAGE

Tampón de transferencia

Tris 48 mM pH 8.5, glicina 39 mM, SDS 0.037 % (p/v) y metanol 20 %

Transferencia de proteínas a membrana de PVDF en semiseco

TBS-Tween 1x

Tris-HCl 20 mM pH 8, NaCl 150 mM, Tween-20 0.1 %

Solución de bloqueo y dilución de anticuerpos para ensayos de Western blot

Tampón de carga de DNA 10X

TAE 10X, glicerol 30 %, 0.25 % azul de bromofenol, 0.25 % xilencianol FF

Preparación de muestras para electroforesis de DNA

32

Materiales y Métodos

RNasa A

2 mg/ml de RNasa A en Tris 10 mM pH 7.4, NaCl 0.1 M, glicerol 20 % y hervir durante 10 minutos para eliminar DNasas

Eliminación muestras

TES

Tris 25 mM pH 7.5, sacarosa 50 mM, EDTA 5 mM.

Lavado de purificación de genómico

TS 1x

Tris-HCl 50 mM, NaCl 50 mM, pH 7.5

Lavado de células

Tampón Z 1x

Tampón fosfato pH 7, KCl 10 mM, MgSO4 1 mM, β-mercaptoetanol 50 mM

Actividad β-galactosidasa

de

RNA

de

células, DNA

3.2.2 Oligonucleótidos utilizados Los oligonucleótidos usados en este trabajo se muestran en la tabla 8. En negrita se muestran las dianas de restricción que contienen. Tabla 8: Oligonucleótidos.

Nombre

Secuencia 5’

3.

Utilidad/Diana restricción

O-kat2

GAAACTTCTGGAATCGC

Detección por PCR del gen kat.

O-kat3

GGAACGAATATTGGATA

Detección por PCR del gen kat.

O-kat4

AGAAATTCTCTAGCGAT

Detección por PCR del gen kat.

M13 dir

GTAAAACGACGGCCAGT

Secuenciación clonados.

de

genes

M13 rev

GAAACAGCTATGACCATG

Secuenciación clonados.

de

genes

O-STR1

AAAACATATGTCCAGGCCCTCCA

Amplificación por PCR del gen rpsL. NdeI.

O-STR2

AAAACATATGACGGACCTCTGCT

Amplificación por PCR del gen rpsL. NdeI.

O-STR3

AAAACATATGAGGTCGTACTCTA

Secuenciación del gen rpsL. NdeI.

O-STR4

AAACATATGAGGTCGTACTCTACCTTGA

Secuenciación del gen rpsL. NdeI.

O-STR5

CCAACTCGGCGCTCCGTAAGGTGG

Amplificación por PCR del gen rpsL (separación de mutaciones).

O-STR6

CCACCTTACGGAGCGCCGAGTTGG

Amplificación por PCR del gen rpsL (separación de mutaciones).

O-STR7

AAAACATATGCAATCAGCTCGTCCGAA

Amplificación por PCR del gen rpsL (a excepción de la región promotora). NdeI.

O-STR8

GATGAAGGCCGTGACCAG

Secuenciación del gen rpsL.

33

Materiales y Métodos

O-STR9

CACTGCCGACGATCAATCAGCTCGTCCGAA

Secuenciación del gen rpsL.

O-STR10

GATGAAGGCCGTGACCAGCACGTCCCCGTA

Secuenciación del gen rpsL.

OLA360

CTTGACAAGGGCGCGT

Detección por PCR del gen βgaA.

β-gal ext

GCCTTAAAGTCCTCTTCCCAA

Detección por PCR del gen βgaA.

O- β-gal

GGGGTTGGCCTGGCCA

Detección por PCR del gen βgaA.

O-RepNde2D

CTGTTCATATGCCTCAGTTGA

Amplificación por PCR del gen repA. NdeI.

O-RepNdeR

GGGACCATATGCCCCTGGA

Amplificación por PCR del gen repA. NdeI.

O-132pUC

GGGGCTGGCTTAACTATG

Secuenciación de clonados en pUC18.

FP PnarDIR

CTGGACCAGGTGGGCGCA

Detección por PCR de la región promotora del operón nar.

O27-32

CCCAGCTCGCCCGGCGG

Detección por PCR del gen narG.

O-AP1

CTACGTCACCGAGTCCA

Detección por PCR del gen phoA.

IFN1

AAGGGGGATCCTGTTACTGCCAGGACCCATAT

Amplificación por PCR del gen que codifica IFNγ. BamHI.

IFN2

AAAGGGCGGCCGCCTGGGATGCTCTTCGACCT CG

Amplificación por PCR del gen que codifica IFNγ. NotI.

O-P31Higro

ATTCGGCCCAAGGTTTACAAAATCC

Amplificación del gen hph5.

O-HigrorevBglII

AAAAGATCTCTATTCCTTTGCCCTCGGACGA

Amplificación del gen hph5. BglII.

ABamPMKDir

TCCCGGGAGCGTGCGCTT

Amplificación de pMK18 para sustituir diana BamHI en gen repA.

ABamPMKRev

TCGCGGAACTCCCGGGCC

Amplificación de pMK18 para sustituir diana BamHI en gen repA.

O-PnarE1

CCAAGGGGAATTCGACGTA

Detección por PCR del la región promotora del operón nar. EcoRI.

PnarXbaRev

AAATCTAGACGCCATCACCTCCGGCCCCAGTG

Amplificación por PCR de la región promotora del operón nar. XbaI.

PnqoecoR1dir

AAAGAATTCGGCTCTTTGACCTCCCTCCAGGG

Amplificación por PCR de la región promotora del operón nqo. EcoRI.

Pnqoxbarev

AAATCTAGACAAGGTCCCCTCCTTTCGTGCC

Amplificación por PCR de la región promotora del operón nqo. XbaI.

genes

34

Materiales y Métodos

Amplificación por PCR del gen que codifica GFP, añade sitio de clonaje y secuencia que codifica SGGGG. NdeI.

NdeMCSLINKs GFPdir

CATATGCCATGGACTAGTATCGATGAATTCTCT GGAGGAGGAGGAATGAGCAAAGGAGAAGAACT TTTCACTGGAGTTGTCCC

HindsGFPrev

AAGCTTTTATTATTTGTAGAGCTCATCC

Amplificación por PCR del gen que codifica GFP. HindIII.

phoABcu1dir

ACTAGTGGAGGTGAGAAACATGAAGCGAAGGG ACATCCTG

Amplificación por PCR del gen phoA. BcuI.

phoACla1rev

ATCGATGGCCCAGACGTCCTCGGGGTG

Amplificación por PCR del gen phoA. ClaI.

hsp10Bcu1dir

ACTAGTGGAGGGAGTGGATATGGCCGCGGAGG TGAAGAC

Amplificación por PCR del gen groES. BcuI.

hsp10Cla1rev

ATCGATCTGCAGGACCGCAAGCAGGTCG

Amplificación por PCR del gen groES. ClaI.

3.3 MÉTODOS MICROBIOLÓGICOS 3.3.1 Crecimiento y conservación de estirpes bacterianas T. thermophilus fue incubado a 60-70º C en un medio rico (TB) que contiene tripticasa (BBL) 8 g/l, extracto de levadura (Gibco) 4 g/l y NaCl 3 g/l, pH 7.5 (FernándezHerrero, 1995a). En medios sólidos se añadió 1.5 % (p/v) de agar bacteriológico (Pronadisa) y las placas se incubaron (60-70º C) en cámara húmeda. En los experimentos de selección se incluyeron los antibióticos correspondientes a las concentraciones: kanamicina (30 μg/ml), estreptomicina (100 μg/ml), higromicina (50 μg/ml), bleomicina (50 μg/ml). El medio mínimo utilizado para el crecimiento de Thermus fue el descrito por Degryse (Degryse y cols., 1978), añadiendo la mezcla de micronutrientes indicada por Tanaka (Tanaka, 1981). Cuando fue necesario añadir algún aminoácido, éste se puso a una concentración de 50 μg/ml. E. coli fue incubado a 37º C con agitación en medio rico LB (Lennox, 1955), o en placa añadiendo 1.5 % (p/v) de agar al medio. Cuando fue necesario se incluyeron los antibióticos correspondientes a las concentraciones: ampicilina (100 μg/ml), kanamicina (30 μg/ml), higromicina (100 μg/ml), cloranfenicol (20 μg/ml), bleomicina (3 μg/ml). La selección de recombinantes por actividad β-galactosidasa fue realizada añadiendo X-Gal (5-bromo-4-cloro-3-indolil-β-D-galactopiranósido) (Roche) en las placas de selección a una concentración final de 40 μg/ml.

35

Materiales y Métodos

El crecimiento en líquido de los cultivos se siguió midiendo la DO550 en un espectrofotómetro Hitachi U-2000. Las estirpes bacterianas fueron conservadas en placa a 4º C durante un máximo de un mes y durante largos periodos de tiempo a -70o C en medio de crecimiento en presencia de glicerol 30 % (v/v). Las células de Thermus se conservaron a -20o C en forma de precipitados compactos secos.

3.3.2 Transformación bacteriana La competencia en E. coli fue inducida mediante el método de Inoue (Inoue y cols., 1990). Las transformaciones se realizaron siguiendo el método descrito por Hanahan (Hanahan, 1985). Cuando se buscaban eficiencias de transformación muy altas, las células de T. thermophilus o E. coli fueron electrotransformadas. Para ello dejamos crecer los cultivos hasta una D.O.550 de aproximadamente 0.5, los lavamos en glicerol 10 % en H2O MiliQ (dos lavados para E. coli, tres lavados para Thermus) y resuspendimos las células en 1/100 del volumen inicial en esa misma solución. 100 μl de estas células fueron incubadas con el DNA durante 30 minutos a temperatura ambiente, y posteriormente las sometimos a un pulso corto (5 ms) en un campo eléctrico de 12500 V/cm (Equibio, Easyject Plus D2000; 2500 V, 201 Ω y 25 µF, en cubetas de 0.2 cm de grosor). Las células de T. thermophilus fueron transformadas por competencia natural (Koyama y cols., 1986), añadiendo 0.1-1 μg de DNA a 0.5 ml de cultivo en fase exponencial (aprox. 0.5 u.D.O.550) en medio de crecimiento TB preparado con agua mineral Fontjaraba. Tras la transformación, en todos los casos las células fueron incubadas a su temperatura de crecimiento el tiempo necesario para la expresión de los genes de resistencia al antibiótico correspondiente. En el caso de

E. coli, una hora para la

ampicilina y 1.5 h para la kanamicina o higromicina. En Thermus, las células fueron incubadas durante 4 h. Como último paso los cultivos fueron extendidos en placas de selección y los transformantes fueron crecidos 24-48 h a la temperatura correspondiente.

36

Materiales y Métodos

3.3.3 Crecimiento de T. thermophilus en distintas condiciones El crecimiento en aerobiosis fue realizado en matraces rellenos con medio de cultivo hasta 1/4 de su capacidad con una agitación de 150 rpm. En el caso de la inducción de la nitrato reductasa por microaerofilia, iniciamos el crecimiento en aerobiosis y cuando el cultivo se encontraba a 0.45-0.5 u.D.O.550, añadimos nitrato potásico 40 mM (Merck) al medio y se paramos la agitación. De esta forma conseguimos la microaerofilia al perderse la aireación y consumirse el oxígeno disuelto en el medio. El tiempo de inducción en microaerofilia fue de cuatro horas. En el caso de la inducción de la región promotora del operón nqo, iniciamos el crecimiento del cultivo en aerobiosis y lo dejamos hasta que se alcanzó la saturación en el crecimiento.

3.3.4 Fraccionamiento celular Las células de cultivos exponenciales de T. thermophilus fueron sonicadas, seguido de una centrifugación suave (3000 rpm, 5 min) para eliminar células intactas. Posteriormente, las fracciones soluble y de membrana fueron separadas mediante dos pasos de centrifugación consecutivos (2000 rpm, 20 min). Las proteínas divididas bien en la fracción soluble o de membrana fueron separadas por SDS-PAGE (“sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis”) y analizadas mediante “Western Blot”. Los cuerpos celulares derivados de los cultivos del mutante csaB::kat (Cava y cols., 2004) fueron concentrados mediante centrifugación media (5000 rpm, 5 min), y el sedimento celular fue sometido a pipeteo repetido para romper la envuelta externa (Castán y cols., 2002). Después de la centrifugación (5000 rpm, 5 min) la fracción periplásmica fue recuperada mientras que el sobrenadante y las células fueron procesadas para separar las fracciones citoplásmica y de membrana, como en las células de la estirpe silvestre.

3.4. MANIPULACIÓN DE DNA 3.4.1 Preparación de DNA plasmídico de E. coli El DNA plasmídico de E. coli fue obtenido desde cultivos saturados mediante el método de lisis alcalina (Sambrook, 1989) o bien kits basados en la unión del DNA a una columna (Wizard Plus SV Minipreps, Promega).

37

Materiales y Métodos

3.4.2 Preparación de DNA cromosómico de Thermus thermophilus El DNA cromosómico de Thermus fue aislado a partir de 2-10 ml de cultivo en saturación, siguiendo el protocolo descrito por Marmur (Marmur, 1961). Las células recogidas por centrifugación fueron lavadas (Tris 50 mM pH 7.5, EDTA 5 mM, NaCl 50 mM) y resuspendidas en 50 μl de un tampón conteniendo Tris 25 mM pH 7.5, glucosa 50 mM, EDTA 5 mM, al que añadimos RNAsa A 0.1 mg/ml (Roche) y lisozima 0.1 mg/ml (Roche, preparada en EDTA 0.25 M); tras 1 hora a 37º C y, posteriormente el volumen fue incrementado con TE 1X y las células fueron lisadas con sarkosil 0.5% (Sigma) y pronasa E 0.1 mg/ml (Merck) a 56º C durante una hora, seguidas de un tratamiento con proteinasa K 3 mg/ml (Sigma) a 37º C durante 30 minutos. Posteriormente, las preparaciones fueron sometidas a sucesivos ciclos de congelación-descongelación a -70º C seguidos de agitación fuerte y a varias extracciones con fenol:cloroformo:isoamílico (24:24:1) y posteriormente con cloroformo:isoamílico (24:1). El DNA obtenido fue precipitado con dos volúmenes de etanol puro (Merck) o 0.7 volúmenes de isopropanol (Merck) y acetato amónico pH 5 hasta una concentración final de 100 mM, y finalmente resuspendido en 20 µl de agua Mili-Q. Mediante este protocolo se obtienen habitualmente fragmentos de DNA de un tamaño medio de 25 kpb, apropiados para el análisis por “Southern-Blot” o para ser utilizados como molde en ensayos de PCR.

3.4.3 Precipitación de DNA En los casos en que fue necesario precipitar DNA (plasmídico o cromosómico), añadimos dos volúmenes de etanol puro (Merck) enfriado a -20º C y acetato amónico pH 5 hasta una concentración final de 100 mM. Tras dejarlo en nieve carbónica un tiempo variable de entre 30 minutos a 1 hora (dependiendo de la cantidad de DNA a precipitar), centrifugamos a 4º C, a 14000 rpm en minicentrífuga (Hettich Zentrifugen Mikro), durante 15 minutos. A continuación realizamos un lavado con etanol 70 % volvimos a centrifugar 5 minutos en las mismas condiciones. Tras secar bien el precipitado lo resuspendimos en el volumen deseado de agua Mili-Q.

3.4.4 Clonaje y amplificación de DNA La digestión del DNA fue realizada siguiendo las condiciones de tampón, temperatura y concentración, recomendadas por la casa suministradora de las enzimas de restricción (New England Biolabs, Roche y MBI Fermentas).

38

Materiales y Métodos

Para generar fragmentos de DNA con extremos romos a partir de extremos protuberantes 5’, el DNA fue tratado con el fragmento “klenow” de la DNA polimerasa I de E. coli (Roche) durante 15 minutos a 30º C, en presencia de 0.25 mM de una mezcla igualada de dNTP. En el caso de extremos 3. protuberantes, fueron utilizadas las mismas condiciones pero en ausencia de dNTP. La fosforilación de los extremos 5’-OH del DNA fue realizada mediante incubación con la polinucleótido quinasa del fago T4 (Fermentas) y ATP (100 μM) a 37º C durante 30 minutos. La ligación de fragmentos de DNA fue llevada a cabo con la enzima DNA ligasa del bacteriófago T4 (New England Biolabs), utilizando las condiciones recomendadas por la casa comercial, en un volumen final de 20 μl, ajustando la relación vector:inserto a 1:4. Las muestras fueron incubadas a 16o C durante toda la noche y

5-10 μl de estas

ligaciones fueron utilizadas para transformar en 100 μl de células competentes. Para disminuir la cantidad de vector religado, éste fue incubado antes de la ligación con Fosfatasa Alcalina (New England Biolabs) a 37º C durante 1 hora. Para la amplificación de DNA, utilizamos la DNA polimerasa de T. aquaticus (Perkin Elmer) o la de T. thermophilus (Biotools B&M), 1 unidad, con el tampón suministrado por la casa comercial, 10 % DMSO, 3 mM de MgCl2, 0.5 mM de una mezcla igualada de dNTP y 50 pmol de cada oligonucleótido (serán especificados en cada caso), volumen final de 50 μl, amplificación en un termociclador Bio-Rad iCycler. El molde utilizado fue DNA plasmídico, DNA cromosómico o DNA procedente de una PCR previa. Las condiciones de PCR fueron optimizadas siguiendo las recomendaciones descritas por Ausubel y colaboradores (Ausubel y cols., 1994). Para aumentar la fidelidad utilizamos la DNA polimerasa de Pyrococcus furiosus (Biotools B&M). Usamos 1 unidad del enzima en el tampón suministrado por la casa comercial. También añadimos 1ng/reacción de SSB (“single strand binding protein”) para ayudar al desenrollamiento del molde de DNA (Perales y cols., 2003).

3.4.5 Secuenciación de DNA El DNA (plasmídico o procedente de PCR) fue secuenciado de forma automática mediante una variante del método de terminación por dideoxinucleótidos (Sanger y cols., 1977) que utiliza marcadores fluorescentes para la detección de los fragmentos de DNA, “Byg Dye Terminators” ABI PR15M 377.

39

Materiales y Métodos

3.4.6 Electroforesis y purificación de fragmentos de DNA La separación electroforética de fragmentos de DNA fue realizada en geles de agarosa 0.8-1.3 % (p/v) (Sigma Low EEO) en tampón TAE 1X (tabla 5). La purificación de fragmentos a partir de geles de agarosa fue realizada mediante el kit PCR-Prep de Promega basado en la disolución del fragmento de agarosa y unión del DNA a una columna.

3.4.7 Generación de la librería de Interferón Gamma humano La librería fue generada por la empresa Biométhodes utilizando el método Massive Mutagenesis® (patentes EP 1311670 B1 y US 7,202,086 B2); Saboulard y cols., 2005). Para ello los oligonucleótidos conteniendo mutaciones (concentración final 50 µM) fueron fosforilados con la polinucleótido quinasa del fago T4 y 1 mM ATP. A continuación los oligonucleótidos fosforilados (1 µl) fueron mezclados con el molde pNCK-“gen de interés” (200 ng) para iniciar una replicación de DNA de cadena sencilla (dNTP 1 mM, ATP 1 mM, MgSO4 4 mM, 8U polimerasa Pfu (Stratagene), 8U ligasa Tth (Stratagene), 2U polimerasa Taq (New England Biolabs)) en las condiciones que permitieran una unión uniforme de los oligonucleótidos. La reacción de amplificación fue realizada en 12 ciclos [(94º C, 1 min); (50º C, 2 min); (68º C, 20 min)]. La mezcla de reacción fue digerida con DpnI (10U) y a continuación fue dializada en agua desionizada con filtros hidrofílicos MFMillipore (0.025 µm, Millipore). La muestra obtenida fue utilizada para electroporar células competentes de E. coli DH10B. El DNA extraído de las colonias resultantes de la electroporación fue utilizado para comenzar rondas sucesivas de Massive Mutagenesis®. Virtualmente todos los mutantes posibles y algunos mutantes múltiples (hasta 5 cambios en la secuencia de la proteína) están presentes en la librería, con una media de 1 mutación por molécula. Del total de la librería, 1/3 correspondían a clones de la proteína silvestre, 1/3 contenían una mutación, 1/6 eran dobles mutantes y 1/6 contenían tres o más mutaciones (Chautard y cols., 2007).

40

Materiales y Métodos

3.5. MANIPULACIÓN DE PROTEÍNAS 3.5.1 Preparación de extractos para electroforesis Para la obtención de proteínas totales tanto de E. coli como de T. thermophilus, las células fueron recogidas por centrifugación suave. El sedimento celular fue lavado en tampón Tris 50 mM pH 7.5, NaCl 50 mM y resuspendido en tampón de ruptura de Laemmli 1X (tabla 5). Las muestras fueron hervidas durante 10 minutos y posteriormente centrifugadas durante 10 minutos a 14000 rpm en un minicentrífuga Hettich Zentrifugen Mikro para separar los restos insolubles correspondientes a la envoltura celular. Este extracto así obtenido fue cargado directamente en geles de SDS-PAGE para su análisis. Para separar las proteínas solubles e insolubles de ambos microorganismos, las células fueron recogidas y lavadas como en el caso anterior, posteriormente el precipitado fue resuspendido en el mismo tampón de lavado con inhibidor de proteasas (Complete Mini de Roche, una pastilla cada 10 ml de tampón), en un volumen variable entre 0.3-1 ml. La suspensión celular fue sonicada mediante 2 pulsos de 30 segundos–1 minuto a 18 µm de amplitud en un aparato LABSONIC U (B. Braun) (potencia: máxima; intensidad: alta; frecuencia de ciclo: 0.5 s). Las células no rotas fueron eliminadas mediante centrifugación a baja velocidad (2000 rpm, Hettich Zentrifugen Mikro, 3 minutos, 4º C). La separación de la fracción proteica soluble de la insoluble fue realizada mediante centrifugación de este lisado a alta velocidad (14000 rpm, Hettich Zentrifugen Mikro, 15 minutos, 4º C). Posteriormente las fracciones fueron lavadas en el mismo tampón y fueron centrifugadas de nuevo en las mismas condiciones. La fracción insoluble fue resuspendida en un volumen igual a la fracción soluble del tampón usado. Para el análisis por SDS-PAGE se añadió tampón de Laemmli 5X a estos extractos y fueron hervidos y centrifugados como en el caso de las proteínas totales.

3.5.2 Electroforesis en geles de poliacrilamida La separación electroforética de proteínas fue realizada mediante geles SDSPAGE discontinuos (10-12 %) (Laemmli y Favre, 1973). La visualización de las proteínas fue realizada mediante tinción con Azul de Coomassie (0.25 % Brilliant Blue-R en 45 % metanol, 10 % acético) y posterior lavado con 45 % metanol, 10 % acético, o bien por transferencia de las proteínas a membrana para su inmunodetección (“Western Blot”).

41

Materiales y Métodos

3.5.3 Inmunodetección de proteínas (Western-blot) Las proteínas resueltas en geles de SDS-PAGE fueron transferidas a una membrana de PVDF ("Immobilón-P", Millipore), prehumedecido en metanol y equilibrado en tampón de transferencia (tabla 5). La transferencia en semiseco fue efectuada en un aparato Trans-blot SD semi-dry transfer cell (Biorad), durante 1 hora a 2 mA/cm2 en presencia de tampón de transferencia (tabla 5). Posteriormente las membranas fueron bloqueadas con leche desnatada 3 % en tampón TBS-Tween (tabla 5) durante 1 hora e incubadas posteriormente con el anticuerpo primario diluido en TBS-Tween 1/5000 durante 1 hora. Tras un lavado de 5 minutos en TBS-Tween, fue incubado con el anticuerpo secundario diluido en TBS-Tween 1/5000 durante, al menos, 45 minutos. Tras un nuevo lavado el reconocimiento por los anticuerpos fue detectado con el sistema ECL (“Enhancer Chemi Luminiscence”, Western blotting analysis system, Amersham International).

3.5.4 Medida de actividades enzimáticas in vitro -Ensayo de actividad β-galactosidasa: A partir de precipitados de células de cultivos inducidos bajo las condiciones descritas anteriormente, las células fueron sonicadas y se desarrolló el ensayo siguiendo el protocolo ya descrito (Moreno y cols., 2003), empleando ONPG (o-nitrophenyl-β-Dgalactosidasa) como sustrato cromogénico. La reacción fue llevada a cabo a 70º C, usando un control paralelo de degradación espontánea del sustrato a esa temperatura (Miller, 1992). La actividad β-galactosidasa, medida como la cantidad necesaria para transformar 1 μmol de sustrato por minuto, fue normalizada con respecto a la masa celular para efectuar las comparaciones entre muestras del mismo ensayo.

-Ensayo de actividad nitrato reductasa: La actividad nitrato reductasa fue medida mediante el protocolo ya descrito (Ramírez-Arcos y cols., 1998a), después de 5 minutos de incubación a 80º C con metil viológeno reducido (dicloruro de 1,1.-dimetil-4,4.-bipiridinium reducido) (Sigma) como donador de electrones y nitrato potásico (Merck) como aceptor de los mismos. Una unidad de actividad nitrato reductasa se define como la cantidad de enzima que puede producir 1 nmol/min por ml de nitrito. La concentración de nitrito fue medida mediante un método colorimétrico con N-(1-naftil)etilendiamina 0.02 % (Sigma) y con sulfanilamida 1% en HCl 2.5 N (Sigma) (Snell y Snell, 1949).

42

Materiales y Métodos

-Ensayo de actividad fosfatasa alcalina: La actividad fosfatasa alcalina fue medida utilizando una modificación del método ya descrito (Brickman y Beckwith, 1975). Los precipitados de células de cultivos inducidos bajo las condiciones descritas anteriormente fueron lavados con Tris-HCl 100 mM pH 11.3, y resuspendidas en este mismo tampón para ser sonicadas durante 1 minuto a 18 μm de amplitud en un aparato LABSONIC U (B. Braun) (Potencia: máximo; Intensidad: alta; Frecuencia de ciclo: 0.5 s). La fracción soluble fue separada mediante centrifugación (14.000 rpm, 20 min) y se añadió 0.5 ml de Sigma 104 (p-nitrofenil-fosfato) al 0.4 % en Tris-HCl 100 mM pH 11.3. El ensayo fue incubado a 70º C hasta la aparición de color amarillo. La reacción fue detenida añadiendo 0.2 ml de k2HPO4 1 M y medida la absorbacia a 420 y 550 nm. Las unidades enzimáticas fueron normalizadas con respecto a la masa celular de manera análoga a la medición de actividad β-galactosidasa.

3.5.5 Pulso proteolítico Seguimos una modificación del método utilizado por Park y Marqusee (Park y Marqusee, 2005). Partimos de sobrenadantes de células COS-7 que sobreexpresaban IFN-γ (estirpe silvestre y mutantes), que fueron incubados durante 16 horas a 25º C en concentraciones crecientes de urea (0, 2, 4 y 6 M) en un tampón acetato sódico 100 mM (pH 5.5) con CaCl2 10 mM. Las muestras correspondientes a cada una de las concentraciones de urea fueron tratadas con Termolisina 10 µg/ml (Sigma) durante 1 min para posteriormente detener la digestión hirviendo las muestras en presencia de tampón de carga de Laemli. El IFN-γ y los productos de la digestión fueron detectados mediante Western Blot con anticuerpos específicos (Biosource). 3.5.6 Producción de Interferón en células COS-7 La producción de Interferón fue llevada a cabo en la empresa Biométhodes. la expresión y secreción de los interferones fue llevada a cabo usando células COS-7 (ATCC CRL-1651, Invitrogen) y plásmidos pORF-IFNα, β y γ (Invivogen) conteniendo un promotor híbrido EF-1α y una señal de poliadenilación terminadora de SV40. La transfección fue llevada a cabo en placas de 24 pocillos, usando 50 ng de DNA plasmídico y JetPEI (Polyplus Transfection), a una proporción JetPEI/DNA de 5. Tras 24 h, las células fueron lavadas y 500 µl de medio conteniendo un contenido reducido de FBS fueron añadidos. Después de otras 48 horas, los sobrenadantes fueron recogidos y almacenados a -20º C.

43

Materiales y Métodos

3.5.7 Factor de Termoestabilidad (TF) Definimos TF como el número de colonias que crecen a 70º C con 20 (TF20) o 40 (TF40) µg/ml de kanamicina dividido entre el número de colonias que crecen a 60º C con 20 µg/ml de kanamicina (Fig. 10).

A

B

[Kana]=20 μg/ml, Tª=60ºC

C

[Kana]=20 μg/ml, Tª=70ºC

[Kana]=40 μg/ml, Tª=70ºC

CONDICIONES DE SELECCIÓN MÁS RESTRICTIVAS

TF20=

TF40=

nº colonias obtenidas a [Kana]=20 μg/ml a 70ºC (B) nº colonias obtenidas a [Kana]=20 μg/ml a 60ºC (A)

nº colonias obtenidas a [Kana]=40 μg/ml a 70ºC (C) nº colonias obtenidas a [Kana]=20 μg/ml a 60ºC (A)

POCO RESTRICTIVO

MUY RESTRICTIVO

Figura 10: Cálculo del Factor de Termoestabilidad (TF).

3.6 OBSERVACIÓN MICROSCÓPICA

3.6.1 Microscopía confocal Las células portadoras de los plásmidos codificantes de las fusiones de interés GFP-proteína fueron crecidas en las condiciones apropiadas y fueron dispuestas en portaobjetos cubiertos con una capa fina de azarosa al 1 % en PBS. La cepa de T. thermophilus csaB::kat forma cuerpos multicelulares de gran tamaño (Cava y cols., 2004) que colapsan cuando se extienden sobre una superficie. Para evitar esto, 0.2 ml de muestra fueron mezcladas cuidadosamente con 0.5 ml de Gelrite (Sigma, St. Louis, USA) al 1 % (p/v) en PBS a 45º C de temperatura, en una cámara fabricada uniendo un tubo

44

Materiales y Métodos

Eppendorf cortado sobre un cubreobjetos (24 x 24 mm) . La cámara Eppendorf fue fijada en una lámina metálica, de las mismas dimensiones que un portaobjetos de microscopio normal, que a su vez estaba perforada para acomodar la cámara. Esto permite la observación en un microscopio invertido y preserva la forma e integridad de los cuerpos multicelulares. Cuando fue requerido, los cultivos fueron tratados con paraformaldehido (concentración final 0.5 % v/v) a 70º C para prevenir cambios conformacionales en las proteínas de fusión que podrían ocurrir al enfriarse las muestras de T. thermophilus. La microscopía de fluorescencia se realizó utilizando un microscopio confocal Zeiss META 510. Las secciones-Z fueron obtenidas con el objetivo Zeiss 63X 1.4NA y los parámetros apropiados para cumplir con el criterio Nyquist para tratamiento de imágenes. Las imágenes fueron sometidas a deconvolución linear utilizando el software Huygens System 2.2 (Scientific Volume Imaging B.V., Hilversum. The Netherlands). Para el ensambaje final de las imágenes se utilizaron los programas Adobe Photoshop e Image J (Wayne Rasband, NIH, USA).

3.7 COMPARACIÓN DE SECUENCIAS Y PREDICCIÓN DE ESTRUCTURAS MEDIANTE HERRAMIENTAS INFORMÁTICAS.

El ensamblado, comparación y traducción de secuencias fue realizado empleando el programa “Gene Jockey II” para Macintosh y el paquete DNAstar para PC. La búsqueda de proteínas homólogas (programa BLAST, “Basic Local Alignment Search Tool”) (European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Alemania) y los alineamientos de secuencia (programa CLUSTALW) fueron realizados a través del servidor ExPASy (http://au.expasy.org/). Para la predicción de estructuras fueron empleados los programas PyMol y DeepView. La estructura cristalina de la proteína S12 y de los residuos que an con ella de la cadena de rRNA 16S fueron obtenidos en colaboración con el Dr. Paulino GómezPuertas (Grupo de Modelado Molecular, Centro de Biología Molecular “Severo Ochoa”) a partir de las estructuras cristalográficas de la subunidad ribosómica 30S por análisis geométrico comparativo. La metodología utilizada (Mendieta y Gago, 2004) mide la variación de los ángulos dihédricos de los fosfatos del rRNA 16S y de los átomos Cα de

45

Materiales y Métodos

la proteína S12 en las formas abierta (Protein data Bank: 1J5E; Wimberly y cols., 2000), cerrada y unida a ARNt/ARNm (PDB: 1N32; Ogle y Ramakrishnan, 2002) y unida a estreptomicina (PDB: 1FJG; Carter y cols., 2000). Los ángulos dihédricos y los valores de RMSD (“root mean square deviation”) entre las estructuras fueron calculados con el paquete Insight II®. Las estadísticas de los tres pares de comparaciones fueron realizadas con SigmaPlot®. La construcción de las estructuras 3D para los mutantes K47R y K57E de la proteína S12 fue realizada utilizando los procedimientos de modelado estándar basados en homología. Los modelos fueron realizados utilizando el servidor SWISS-MODEL (Peitsch, 1996; Guex y Peitsch, 1997; Schwede y cols., 2003). La calidad de la estructura fue chequeada utilizando WHAT-CHECK (Hooft y cols., 1996) del programa WHAT IF (Vriend, 1990). Para obtener una optimización geométrica y corregir los choques entre átomos, la energía de la estructura obtenida fue minimizada con la implementación de GROMOS 43B1 en el programa DeepView (Guex y Peitsch, 1997).

46

RESULTADOS

Resultados

CAPÍTULO 1 - DESARROLLO DE VECTORES 4.1.1 Construcción de un plásmido con marcador de resistencia termoestable a higromicina 4.1.1.1 Construcción de pMK184 El vector de clonaje pMK18 (de Grado y cols., 1999) fue desarrollado mediante la fusión de la región mínima replicativa del plásmido pMY1 de Thermus spp, un cassette génico codificante de la resistencia termoestable al antibiótico Kanamicina y el origen de replicación y el sitio de clonaje múltiple de pUC18. Con este plásmido se ha conseguido una gran eficiencia de transformación, por lo que lo hemos elegido como vector para el clonaje de otros cassettes génicos de resistencia termoestable a antibióticos. A pesar de que pMK18 contiene el sitio de clonaje múltiple de pUC18, la diana de restricción BamHI no podía ser utilizada, ya que contiene otras dos dianas de restricción para esta enzima, una de ellas en el gen repA del origen de replicación. La eliminación de la diana de restricción BamHI en repA se realizó mediante PCR con los oligonucleótidos ABamPMKDir y ABamPMKRev (Tabla 8), modificando así la diana de restricción GGATCC por CGATCC sin modificar la secuencia de aminoácidos codificada. La segunda diana BamHI fue eliminada mediante corte parcial rellenado con la enzima “Klenow” y posterior religación (Fig. 11).

Figura 11: Construcción del plásmido pMK184. Se indica la diana de restricción BamHI (B) y el Sitio de Multiclonaje (MCS). Las flechas de color azul (marcadas como 1) corresponden a los oligonucleótidos utilizados para la eliminación de la diana de restricción BamHI de repA.

47

Resultados

4.1.1.2 Construcción de pMH184 El Dr. Nakamura nos cedió el gen hph5, codificante de una higromicina B fosfotransferasa de E. coli termoestabilizada por evolución dirigida (Anexo I) (Nakamura y cols. 2005). Para transferirlo a pMK184 desde el plásmido pT8S-P31HPH5, lo amplificamos con los oligonucleótidos O-P31Higro y O-HigrorevBglII (Tabla 8); el producto de PCR obtenido fue digerido con las dianas de restricción BglII/NdeI y posteriormente fue clonado en pMK184, mediante sustitución del cassete de resistencia a kanamicina por el de resistencia a higromicina (Fig. 12). De esta forma el gen hph5 quedaría bajo el control del promotor del gen slpA (PslpA).

-

-

Figura 12: Construcción del plásmido pMH184. Se indican las dianas de restricción NdeI (Nd) y BglII (Bg).

4.1.1.3 Estabilidad y eficiencia de transformación de pMH184 -Termo-resistencia: Datos previos (Nakamura y cols., 2005) mostraban que la máxima temperatura a la cual se puede seleccionar con higromicina empleando el plásmido pT8S-P31HPH5 es de 65º C. Para comprobar la estabilidad frente a la temperatura de pMH184, transformamos la cepa HB27 con pMH184 y pT8S-P31-HPH5 y extendimos a la concentración de higromicina indicada (40 μg/ml) por Nakamura (Nakamura y cols., 2005). Tras la selección durante 48 h a 60, 65 y 70º C obtuvimos un número similar de

48

Resultados

transformantes con pMH184 en todas las temperaturas ensayadas. Por el contrario, el número de transformantes obtenidos con pT8S-P31-HPH5 a 70º C fue muy inferior (Fig. 13). En los controles de transformación a 60 y 65º C se obtuvieron también

Número de células viables (x10 5)/200 ng

algunos resistentes espontáneos, pero muy pocos a 70º C.

6 5 4 HB27 C3

pT8S-P31-HPH5 pMH184

2 1 0 60ºC

65ºC

70ºC

Figura 13: Termoresistencia. La gráfica indica el número de células viables obtenidas mediante la transformación de la cepa HB27 con pT8S-P31-HPH5 y pMH184 (200 ng) a diferentes temperaturas. La selección fue realizada con higromicina (40 µg/ml).

-Nivel de resistencia frente a Higromicina: En el experimento anterior se vio que utilizando la concentración indicada por Nakamura y cols para la selección en T. thermophilus (40 μg/ml) (Nakamura y cols., 2005) aparecían resistentes espontáneos a higromicina. Por ello, tratamos de determinar la capacidad de pMH184 para conferir resistencia a diferentes concentraciones de antibiótico con el fin de eliminar los resistentes espontáneos. Para ello transformamos la cepa HB27 con pMH184 y pT8S-P31-HPH5 y extendimos a concentraciones crecientes de higromicina (40-80 μg/ml). Tras la selección durante 48 h a 70º C, solo se obtuvieron unos pocos transformantes con pT8S-P31-HPH5 en la concentración de higromicina más baja ensayada (40 μg/ml). Asimismo, el número de transformantes obtenido a 50 μg/ml

mediante la transformación con pMH184 fue

suficientemente alto como para tomarlo como concentración estándar futura para selección en T. thermophilus (Fig. 14).

49

Nº de células viables (x10 5)/200 ng

Resultados

5 4 3 2 1 0 40

50

60

70

80

Concentración de Higromicina (µg/ml)

HB27 C-

pT8S-P31-HPH5 pMH184

Figura 14: Nivel de resistencia a higromicina. La gráfica indica el número de células viables obtenidas mediante la transformación de la cepa HB27 con pT8S-P31-HPH5 y pMH184 (200 ng), y seleccionadas a 70º C en placas con diferentes concentraciones de higromicina (µg/ml).

-Eficiencia de transformación: Un último ensayo que realizamos para caracterizar pMH184 fue comparar su eficiencia de transformación con respecto al plásmido del que procede (pMK184). Para ello realizamos una transformación en HB27 con idénticas cantidades de ambos plásmidos (200 ng) y seleccionamos cada uno de ellos con su correspondiente antibiótico (50 μg/ml para higromicina, 30 μg/ml para kanamicina) durante 48 h a 70º C. Los resultados muestran que se obtienen aproximadamente 3 veces más transformantes con pMK184 que con pMH184. (Fig. 15).

Figura 15: Eficiencia de transformación pMK/pMH. Comparación de la eficiencia de transformación en la cepa HB27 de pMK184 respecto a pMH184.

50

Resultados

4.1.1.4 Expresión del gen bgaA desde pMH184 Una vez caracterizado el plásmido pMH184 quisimos comprobar si podíamos utilizarlo como herramienta para expresar genes. Para ello se construyó el derivado pMHnarbgaA, que contiene el gen bgaA bajo el control del promotor inducible Pnar insertado entre las dianas XbaI y HindIII de pMH184 (Cava y cols., 2007). Para ver su funcionalidad medimos la actividad β-galactosidasa de la cepa T. thermophilus HB27c (Ramírez-Arcos y cols., 1998b) transformada con pMHnarbgaA tras 4 horas de inducción del promotor Pnar por nitrato y anoxia (Moreno y cols., 2003). Como se puede observar (Tabla 9), se detecta una clara expresión de la actividad βgalactosidasa en las cepas transformadas con pMHnarbgaA, mientras que los controles con pMH184 sólo mostraron actividad basal. t=0h

t=4h

HB27 C-

11.9 ± 1.3

14.8 ± 1.7

HB27 pMH184

11.4 ± 1.2

14.1 ± 1.8

HB27 pMHnarbgaA

15.1 ± 1.9

5850 ± 530

Tabla 9: Actividad β-galactosidasa. Ensayo de actividad en T. thermophilus HB27c a 70º C. La actividad se muestra en Unidades Miller antes de comenzar la inducción (t = 0h) y transcurridas 4 horas (t = 4 h) desde su inicio.

4.1.2 Construcción de un vector para prueba de promotores 4.1.2.1 Construcción de pMHbglu El primer paso para la construcción de un vector de estas características fue el clonaje del gen bgl, que codifica una β-glucosidasa (TTP0042) cedida por Eloy Ferreras, en el vector pMH184. Para ello clonamos el gen bgl y un fragmento de 107 pb que contenía un His-Tag y el sitio de unión al ribosoma de pET28b en pMH184 mediante digestión con XbaI/HindIII. Una vez obtenido el vector pMHβglu tratamos de comprobar su eficiencia para detectar y ensayar la fuerza de promotores en T. thermophilus. Para ello clonamos por separado las regiones promotoras de los operones nar (790 pb) y nqo (451 pb) (Cava y cols., 2007) empleando las enzimas EcoRI y XbaI (Fig. 16).

51

Resultados

Figura 16: Construcción de pMHbglu y derivados. Se indican las dianas de restricción NdeI (Nd), BglII (Bg), EcoRI (E), ScaI (Sc), KpnI (K), XmaI (Xm), BamHI (B), XbaI (Xb), SalI (S), PstI (P), SphI (Sp) y HindIII (H).

4.1.2.2 Ensayo de actividad β-glucosidasa Una vez obtenidos los derivados pMHnarbglu y pMHnqobglu, procedimos a comprobar la validez del plásmido para el ensayo de promotores. Para ello realizamos un ensayo de inducción en la cepa HB27c (Ramírez-Arcos y cols., 1998b), previamente transformada con uno u otro derivado. Los resultados que se muestran en la Figura 17 indican que se produce actividad β-glucosidasa tanto en el vector en el que clonamos la región promotora del operón nar como la del nqo. 2500

Actividad (U.M.)

2000 1500

CβGlu βGlu +

1000 500

Figura 17: Actividad β-glucosidasa. Ensayo de actividad T. thermophilus HB27c a 70º C. La actividad se muestra en Unidades Miller. El tiempo de inducción fue de 4 horas con nitrato en anaerobiosis en el caso de los ensayos con Pnar, y durante toda la noche en aerobiosis para los ensayos con Pnqo. Los ensayos fueron realizados con un control sin transformar (C-), el plásmido pMHbglu vacío (βGlu-) y el plásmido pMHbglu con el promotor indicado en la parte inferior (βGlu+).

0 Pnar

Pnqo

No obstante, es interesante destacar que existe una cierta expresión del gen testigo en ausencia del promotor, lo que indica la existencia de cierta actividad promotora críptica procedente de la región del plásmido derivado de pUC, probablemente desde el promotor lacZp.

52

Resultados

CAPÍTULO 2 - DESARROLLO DE UN NUEVO MARCADOR DE SELECCIÓN TERMOESTABLE PARA Thermus 4.2.1 Búsqueda de nuevos marcadores de selección Uno

de

los

principales

problemas

a

la

hora

de

analizar

nuevos

microorganismos modelo termófilos es la escasez de genes de selección por resistencia a antibióticos. En el momento de iniciar este trabajo la única resistencia a antibióticos seleccionable en T. thermophilus era la kanamicina (Lasa y cols., 1992; Mather y Fee, 1992). Por ello uno de los objetivos de este proyecto era encontrar algún nuevo marcador de selección termoestable alternativo para bacterias del género Thermus. El primer paso fue tratar de obtener bacterias resistentes espontáneas a estreptomicina, tetraciclina, cloranfenicol y ampicilina. Para ello realizamos la extensión de cultivos densos de la cepa HB27 sobre placas conteniendo la concentración apropiada de cada uno de los antibióticos (100 μg/ml para estreptomicina, 50 μg/ml para tetraciclina, 20 μg/ml para cloranfenicol y 100 μg/ml para ampicilina). Tras 24 horas de incubación a 70º C obtuvimos resistentes espontáneos con cada uno de los antibióticos ensayados, aunque tuvimos que desechar la tetraciclina debido al fenotipo mucoso de las colonias obtenidas que hacía difícil su manipulación. A continuación inoculamos en medio líquido con su correspondiente antibiótico una extensión de las colonias resistentes espontáneas. Tras la incubación (70º C, 24 h) tuvimos que dejar de lado la ampicilina debido a que no obtuvimos crecimiento en líquido de las colonias resistentes a dicho antibiótico. Tanto las colonias resistentes a estreptomicina como a cloranfenicol crecieron bien en medio sólido y en líquido. No obstante, y debido a problemas de estabilidad del cloranfenicol a alta temperatura, decidimos desechar la resistencia a este antibiótico para centrarnos exclusivamente en la estreptomicina.

4.2.2 Aislamiento de mutantes resistentes a estreptomicina Dado que la resistencia a estreptomicina está frecuentemente asociada a cambios del gen rpsL en la proteína S12 ribosómica, diseñamos un procedimiento de selección de mutaciones en el gen codificante rpsL que confirieran una alta eficiencia de transformación de esta resistencia. Así, partiendo de cantidades idénticas de DNA total purificado de colonias individuales de mutantes espontáneos de T. thermophilus que crecieron en placas de TB con estreptomicina (100 µg/ml), transformamos cultivos de la cepa silvestre mediante competencia natural (Koyama y cols., 1986). A

53

Resultados

continuación preparamos DNA total de los clones que habían dado lugar a un mayor número de transformantes y lo utilizamos como molde para una amplificación por PCR con los oligonucleótidos O-STR1 y O-STR2 (Tabla 8) de un fragmento de DNA de 759 pares de bases (pb), que contenía la secuencia desde la posición -294 a la +445 respecto a su codón GTG de inicio. El producto de PCR de cada clon fue utilizado para transformar mediante competencia natural la cepa silvestre, y seleccionamos para su posterior estudio aquel que produjo un mayor número de colonias. La secuenciación de este alelo (a partir de ahora rpsL1) (Fig. 18a) mostró dos transiciones A

G (posiciones +140 y +169) que producen sendos cambios de

aminoácido, lisina 47 por arginina (K47R) y lisina 57 por ácido glutámico (K57E), con respecto a la secuencia correspondiente al gen natural presente en la cepa parental (ProteinBank (NCBI), YP_005302) (Fig. 16b). Ninguno de estos cambios había sido descrito previamente.

sp|P17293|RS12_THETH sp|Q9RXK7|RS12_DEIRA sp|Q97EH2|RS12_CLOAB sp|Q9X1J3|RS12_THEMA sp|P0A7S3|RS12_ECOLI

VVALPTINQLVRKGREKVRKKSKVPALKGAPFRRGVCTVVRTVTPKRPNSALRKVAEVRLTSG ---MPTTQQLLRKGRKVLQKKSKVPALKGSPFRRGVCTCCKTTTPKKPNSALRKIARVRLSSG ---MPTISQLVRKGRKTLAAKSTAPALKEQKRGVCTVVKTTTPKKPNSALRKIARVRLTNG ---MPTINQLIRYGRKPKKKKSKAPALQGNPQKRGVCIKVSTMTPKKPNSALRKIARVRLSNG ----ATVNQLVRKPRARKVAKSNVPALEAQKRGVCTRVYTTTPKKPNSALRKVCRVRLTNG .* .**:* * **..***: * :**** * * ***********:.:***:.*

sp|P17293|RS12_THETH sp|Q9RXK7|RS12_DEIRA sp|Q97EH2|RS12_CLOAB sp|Q9X1J3|RS12_THEMA sp|P0A7S3|RS12_ECOLI

YEVTAYIPGEGHNLQEHSVVLIRGGRVKDLPGVRYHIVRGVYDAAGVKDRKKSRSKYGTKKPK FEVTAYIPGEGHNLQEHSVVLIRGGRVKDLPGVRYHIVRGSLDTQGVKDRNKSRSKYGTKKPP YEVTAYIPGVGHNLQEHSVVLIRGGRVKDLPGVRYHIVRGTLDAAGVADRKQARSKYGAKKPP IEVTAYIPGIGHNLQEHSVVLVRGGRVKDLPGVRYKIIRGALDAAGVEGRRQSRSKYGAKKPK FEVTSYIGGEGHNLQEHSVILIRGGRVKDLPGVRYHTVRGALDCSGVKDRKQARSKYGVKKPK ***:** * *********:*:*************: :** * ** .*.::*****.*:**

sp|P17293|RS12_THETH sp|Q9RXK7|RS12_DEIRA sp|Q97EH2|RS12_CLOAB sp|Q9X1J3|RS12_THEMA sp|P0A7S3|RS12_ECOLI

EAAKTAAKK AGAAAAKKQK------DQKK----A

Figura 18: Secuencia del gen seleccionado. (A) Secuencia del alelo rpsL1. La región amplificada con los oligonucleótidos O-STR1 y O-STR2 (Tabla 8) se encuentra comprendida entre las dos dianas de restricción NdeI (verde), que son introducidas. La secuencia que codifica la proteína S12 está marcada en color azul. En color rojo se muestran los 2 cambios encontrados en la secuencia de rpsL1, sobre ellos se muestra la base original (color negro). Las sustituciones producen los cambios K47R y K57E, respectivamente. En color naranja se muestra la secuencia en la que se encuentra el promotor. (B) Alineamiento de la secuencia de aminoácidos de la proteína S12 entre diferentes bacterias: Thermus thermophilus (THETH), Deinococcus radiodurans (DEIRA), Clostridium acetobutylicum (CLOAB), Thermotoga maritima (THEMA) y Escherichia coli (ECOLI). La secuencia de T. thermophilus representada corresponde a la que codifica el gen rpsL1 mutante; en rojo se muestran los aminoácidos que cambian respecto a la estirpe silvestre (K47R, K57E).

54

Resultados

4.2.3 Aislamiento de mutaciones simples La combinación de las mutaciones K47R y K57E confiere resistencia a estreptomicina, pero desconocíamos si esa resistencia venía dada por una sola de las mutaciones o por efecto de ambas. Para comprobarlo amplificamos DNA de la estirpe rpsL1 mediante PCR con los oligonucleótidos O-STR1 y O-STR6 (Tabla 8) para obtener la mutación K47R aislada (obteniendo un fragmento de 470 pb, desde la posición -294 a +166), y con los oligonucleótidos O-STR2 y O-STR5 (Tabla 8) para obtener la mutación K57E aislada (fragmento de 312 pb, posiciones de +143 a +445) (Fig. 19). A continuación transformamos la cepa silvestre con cantidades idénticas de los fragmentos de DNA amplificados y seleccionamos sobre placas conteniendo 100 µg/ml de estreptomicina como se ha descrito previamente. En ambos casos obtuvimos un número muy significativo de colonias respecto a los controles sin transformar. Por tanto, concluimos que ambas mutaciones producen por separado capacidad de crecimiento sobre estreptomicina. O-STR5

O-STR1

rpsL1

rpsG

O-STR6

O-STR2

AAGAAGCCCAACTCGGCGCTCCGTAAGGTGGCCAAGGTGCGCCTCACCTCCGGCTAC TTCTCCGGGTTGAGCCGCGAGGCATTCCACCGGCTCCACGCGGAGTGGAGGCCGATG

K R P N

S A L R K V A E V

R L T

S G Y

K

K PCR

rpsL1 K47R

PCR

rpsL1 K57E

Figura 19: Esquema de la separación de las mutaciones del gen rpsL1. El esquema muestra el experimento para la separación de la dos mutaciones encontradas en rpsL1. Se muestran los oligonucleótidos utilizados para el experimento (flechas de color azul). Las estrellas de color verde indican la posición aproximada de las mutaciones.

55

Resultados

Una vez demostrado que ambas mutaciones por separado confieren capacidad de crecimiento sobre estreptomicina, procedimos a comprobar la eficiencia de la tolerancia a este antibiótico conferida por rpsL1 (doble mutante) y por cada una de las mutaciones por separado. Para ello transformamos la cepa silvestre con cantidades idénticas de rpsL1 y de los fragmentos de rpsL que contienen K47R o K57E. Realizamos la selección como se ha descrito previamente; los resultados mostraron que el número de transformantes era ligeramente superior en la transformación con rpsL1 (K47R/K57E) que con los fragmentos portadores de las mutaciones simples (Fig. 20). A su vez, el número de transformantes con la mutación K47R fue superior al obtenido con la mutación K57E, a pesar del mayor tamaño del fragmento codificante de ésta. Estos datos demuestran que cada mutación sencilla produce por sí misma un fenotipo de resistencia aparente a la estreptomicina, siendo algo más eficiente la

Número de bacterias/ml (x10 5)/200 ng

mutación K47R que la K57E. 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 C-

rpsL1

rpsL K47R

rpsL K57E

Figura 20: Eficiencia de crecimiento en estreptomicina conferida por transformación con las mutaciones de rpsL1. Número de resistentes a estreptomicina obtenidos mediante la transformación de la cepa HB27 con el gen rpsL1 completo (rpsL1), el fragmento del gen conteniendo la mutación K47R (rpsL K47R) y el fragmento conteniendo la mutación K57E (rpsL K57E) (200 ng). La concentración de estreptomicina utilizada es 100 µg/ml.

4.2.4 rpsL1 confiere dependencia de estreptomicina En trabajos anteriores (Gregory y cols., 2001) se describieron mutantes de T. thermophilus resistentes o dependientes de estreptomicina asociados a rpsL. Para comprobar si

las mutaciones encontradas en rpsL1 conferían resistencia o

dependencia a estreptomicina, realizamos una extensión de células de HB27 y HB27 rpsL1 lavadas previamente para eliminar la estreptomicina en placas de medio nutritivo TB, y a continuación colocamos discos de papel con estreptomicina e incubamos durante 24 h a 70º C. Los resultados de la Figura 21 muestran como la cepa parental crece en toda la placa excepto alrededor del disco, mientras que la cepa rpsL1 sólo crecía en las proximidades de aquellos discos que contenían más de 10 µg de

56

Resultados

estreptomicina. Como control empleamos discos con kanamicina. Estos datos muestran una fuerte dependencia de estreptomicina de la cepa rpsL1.

Figura 21: Dependencia de estreptomicina de la cepa rpsL1. (A) Efecto de la estreptomicina sobre la cepa HB27. El disco situado en el centro de la placa contiene estreptomicina. (B) Efecto de la estreptomicina (Str) y kanamicina (Kana) sobre la cepa HB27 rpsL1. Los discos dispuestos en la placa contienen estreptomicina o kanamicina. (A) y (B) El número en el interior del disco corresponde a los µg de antibiótico que contiene.

Para confirmar estos datos en cultivo líquido y evaluar el nivel de dependencia, así como el fenotipo conferido por los mutantes individuales, partimos de cultivos crecidos con estreptomicina (100 µg/ml) de la estirpe silvestre, del mutante rpsL1 y de los mutantes K47R y K57E; diluimos estos cultivos (10-5 y 10-6) y los extendimos (100 µl) en placas TB conteniendo concentraciones crecientes de estreptomicina. Tras 48 h a 70º C contamos el número de colonias de cada placa y las representamos como el porcentaje de células viables respecto a su valor máximo respectivo. Como se ve en la Figura 22, los mutantes simples K47R y K57E también muestran un claro fenotipo de dependencia, aunque requieren de una mayor concentración de antibiótico para crecer que el mutante doble K47R/K57E. De hecho, ninguno de los dos mutantes simples crece de forma apreciable a concentraciones de estreptomicina inferiores a 32 μg/ml. El experimento también revela que el mutante K47R requiere una concentración de antibiótico superior que el mutante K57E para mostrar un crecimiento efectivo: a 32 μg/ml, el mutante K47R muestra un 30 % de sus células viables respecto al máximo, que alcanza a una concentración de 128 μg/ml, comparado con el 70 % que muestra el mutante K57E. Por otro lado, los mutantes individuales crecen eficientemente incluso a 1024 μg/ml de estreptomicina, concentración en la que el doble mutante no muestra un crecimiento detectable.

57

Resultados

Células viables (%)

100 80 60 40 20

0.2 0 1

10

100

1000

Estreptomicina (μg/ml)

C-C-

rpsL1 rpsL1

rpsL1 rpsL1K47R K47R

rpsL1 rpsL1K57E K57E

Figura 22: Dependencia a estreptomicina de rpsL1 y sus mutantes simples. Está representado el porcentaje de células viables respecto al máximo número de colonias obtenido para cada una de las cepas ensayadas.

4.2.5 Base estructural del fenotipo de dependencia de estreptomicina En la estructura de alta resolución de la subunidad ribosomal 30S de T. thermophilus unida a estreptomicina (Carter y cols., 2000), la cadena lateral interacciona con el grupo fosfato de la guanina 1491 del rRNA 16S, y constituye parte de la zona de unión de la estreptomicina (Fig. 23a). El modelado del mutante K47R (Fig. 23b) indica que el residuo mutado R (lisina) no puede localizarse en una posición equivalente y se une al mismo grupo fosfato, lo que lleva a un estado de inestabilidad en este área móvil del rRNA, como puede deducirse del análisis de torsión de los esqueletos de rRNA y proteína en las cercanías. En contraste, K57 está localizada lejos del sitio de unión de estreptomicina, e interacciona mediante un o iónico con un residuo fosfato de la citosina 1412 del rRNA 16S (Fig. 23a). Curiosamente, la presencia de un residuo E (ácido glutámico) en esta posición provoca una repulsión en el esqueleto 16S al nivel de esta citosina 1412 (Fig. 23c) que podría afectar al sitio de unión de estreptomicina debido a la modificación de la posición de la guanina 1491 (Fig. 23a), la cual se encuentra localizada muy cerca en el mismo lazo del rRNA. Por tanto, podría suceder que la inestabilidad en la zona de o entre el rRNA y la proteína S12 producida por la presencia de la estreptomicina, que mimetiza la conformación cerrada del ribosoma, fuese revertida por las mutaciones K47R y/o K57E, introduciendo un efecto repulsivo que podría “abrir” de nuevo la estructura. En este caso, la estreptomicina podría actuar como “chaperona química” restableciendo parcialmente el nuevo equilibrio entre las formas abierta y cerrada.

58

Resultados

A

B

C

Figura 23: Comparación de las estructuras del rRNA 16S y S12. (A) Comparación estructural de la posición relativa de la proteína S12 (verde) y rRNA 16S en la forma abierta (amarilla), cerrada (roja) y unida a estreptomicina (magenta), se muestra el desplazamiento de la cadena en las proximidades de los fosfatos correspondientes a las bases G1491, A1492, así como del C1412, en o con K47 y K57 respectivamente. Se indica la posición de la molécula de estreptomicina (Str) en la forma unida a estreptomicina. (B) Comparación de los os establecidos por K47 y el R47 mutado. Se muestra el desplazamiento del esqueleto de rRNA en los tres estados (colores como en A). (C) E57 está localizada en o con el grupo fosfato de la citosina 1412, una posición inestable.

4.2.6 Utilización de rpsL1 en vectores Una vez comprobado que el gen rpsL1 confería dependencia a estreptomicina, quisimos saber si era posible clonar el gen rpsL1 (incluido su promotor) en un vector replicativo

y

seleccionar

posteriormente

con

estreptomicina.

Mediante

PCR

amplificamos el gen rpsL1 con los oligonucleótidos O-STR1 y O-STR2 (Tabla 8). Clonamos el producto de PCR en el vector Bluescript-KS y posteriormente lo digerimos con las enzimas de restricción EcoRI/HindIII para su clonaje en el vector

59

Resultados

pMK184, previamente digerido con las mismas enzimas de restricción (Fig. 24). Utilizamos el vector pMK184-rpsL1 obtenido para transformar la cepa HB27 mediante el método descrito con anterioridad. La selección fue realizada en placas de medio nutritivo conteniendo 30 μg/ml de kanamicina o 100 μg/ml de estreptomicina. En ambos casos obtuvimos gran cantidad de colonias (no mostrado) lo que demuestra que rpsL1 puede ser utilizado como gen de selección de plásmidos en T. thermophilus. A continuación crecimos diversas colonias en medio de cultivo líquido con su respectivo antibiótico para la extracción de DNA plasmídico. Una vez obtenido lo utilizamos para transformar la cepa silvestre según el método descrito previamente. La selección fue realizada en placas de medio nutritivo conteniendo 30 μg/ml de kanamicina y 100 μg/ml de estreptomicina. En todos los casos encontramos colonias de las que pudo extraerse el plásmido, lo que demuestra que el vector pMK184rpsL1 replica y es posible amplificarlo tras sucesivas rondas de transformación.

Figura 24: Construcción de pMK184rpsL1. Se indican las dianas de restricción NdeI (Nd), EcoRI (E) y HindIII (H).

4.2.7 Construcción de vectores integrativos basados en rpsL1 El gen rpsL1 fue integrado en la diana de restricción NdeI de pUC18 para generar los vectores pS18a y pS18b (Fig. 25). La nomenclatura a y b indica la dirección del gen rpsL1 en los vectores respecto al promotor lacZp. Los vectores resultantes son capaces de replicar en E. coli, donde confieren resistencia a ampicilina, pero no pueden replicar en Thermus spp., donde sin embargo pueden conferir dependencia de estreptomicina mediante su inserción en el cromosoma a través de los mecanismos de recombinación homóloga (ver más adelante). Sin embargo, ninguno

60

Resultados

de estos plásmidos confería un fenotipo de resistencia o dependencia a estreptomicina en E. coli, como era de esperar de las diferencias en la secuencia de aminoácidos entre las proteínas S12 de E. coli y de T. thermophilus (Fig. 18b) (Gregory y cols., 2001).

Figura 25: Construcción de pS18a y pS18b. Se indica la diana de restricción NdeI (Nd). La nomenclatura a/b indica la dirección del gen rpsL1 respecto a lac. La dirección del gen rpsL1 fue comprobada mediante digestión y secuenciación. Se indica el Sitio de Multiclonaje (MCS).

Siguiendo el protocolo de transformación descrito antes, transformamos cultivos en fase exponencial de la cepa silvestre con cantidades idénticas (200 ng) de los plásmidos pS18a y pS18b, disponiéndose también de controles no transformados. Las placas de medio nutritivo en las que realizamos la extensión de las células contenían concentraciones crecientes de estreptomicina (100, 200, 300, 400, 500, 600 μg/ml). Los resultados del conteo del número de colonias obtenido tras 48 h a 70º C confirman que la transformación con los plásmidos pS18a y pS18b permite el crecimiento en placas con 100 μg/ml de estreptomicina de un mayor número de colonias que el de mutantes espontáneos que crecieron en las placas con células control no transformadas (Fig. 26a). En todos los casos el plásmido pS18a dio lugar a más colonias transformadas que pS18b. Estos datos sugieren que los plásmidos se habrían insertado en el cromosoma de la cepa receptora tras la transformación, capacitando a ésta para crecer en presencia de estreptomicina. A concentraciones mayores de antibiótico el número de colonias disminuye, mientras que el número de mutantes espontáneos permanece más o menos constante (frecuencia de 10-6 a 10-7), incluso a la concentración más alta ensayada (600 μg/ml). Además, mientras que la mayoría de las colonias que crecieron en las placas control eran grandes (como las de la estirpe silvestre en ausencia de antibiótico), aquellas que crecieron tras la transformación con pS18a presentaron un número de colonias “grandes” similar en

61

Resultados

tamaño y número a las que crecieron en las placas control, y un número mucho mayor de colonias “pequeñas” (Fig. 26b). Esta observación sugiere que la integración de pS18 en el cromosoma produce un fenotipo de crecimiento similar al mostrado por el mutante rpsL1. De hecho, se ensayó la capacidad de crecimiento sin estreptomicina de los dos tipos de colonias obtenidos de la transformación con pS18a. En ausencia de estreptomicina, el 95 % de las colonias grandes eran capaces de crecer (por tanto, solo resistentes, no dependientes), un porcentaje similar al mostrado por las colonias mutantes espontáneas que crecieron en placas control sin transformar. Por el contrario, todas

las

colonias

de

tamaño

pequeño

analizadas

eran

dependientes

de

estreptomicina.

Bacterias viables (x105)/200 ng

A

B 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0

S18a pS18b

100

200 300 400 500 Estreptomicina (µg/ml)

600

Figura 26: Número de bacterias viables. (A) Número de colonias tras la transformación con 200 ng de los plásmidos indicados que crecieron en placas conteniendo la concentración de estreptomicina indicada en el eje X. (B) Colonias de la cepa HB27 de T. thermophilus transformada con pS18a y seleccionada en placa de medio TB con estreptomicina (100 µg/ml). Pueden apreciarse colonias de dos tamaños diferentes, unas grandes, que corresponden a bacterias resistentes espontáneos a estreptomicina y otras pequeñas, que corresponden a bacterias transformadas con pS18a.

Los resultados descritos arriba apoyaban la idea de que el alelo rpsL1 es insertado en el cromosoma tras la transformación con pS18a, pero no nos permitían discriminar si la secuencia del plásmido permanecía en el cromosoma tras la recombinación o era eliminada mediante una segunda recombinación. Para distinguir entre estas dos posibilidades, realizamos ensayos de amplificación por PCR de 10 colonias de pequeño tamaño (transformadas con pS18a) con los oligonucleótidos O132pUC y O-STR8, O-STR2 y O-STR5 (Fig. 27a/b) (Tabla 8); los resultados positivos en todas las muestras analizadas (Fig. 27a) nos llevaron a concluir que el plásmido estaba presente en el cromosoma de los transformantes ensayados, ya que el oligonucleótido O-132pUC (Tabla 8) sólo hibrida con el plásmido. En consecuencia,

62

Resultados

estas colonias tenían dos copias del gen rpsL, la parental y su alelo rpsL1 (Fig. 27c), lo que nos llevó a la conclusión de que en las células transformadas con pS18a, el alelo rpsL1 era dominante respecto al gen rpsL parental, dado su carácter dependiente de estreptomicina. Posteriormente analizamos si la proteína S12 mutante se expresaba en estas colonias desde el operón rps (en “cis”) o desde la copia generada tras la integración del plásmido (en “trans”) (Fig. 27c). Para ello secuenciamos la copia “cis” tras su amplificación por PCR con los oligonucleótidos marcados como 1 y 3 en la Fig. 25c, y la copia “trans” tras amplificación por PCR con los oligonucleótidos marcados como 1 y 2 en la misma figura. Las dos mutaciones correspondientes a rpsL1 fueron identificadas en la secuencia de la copia “cis” en las 10 colonias analizadas.

Figura 27: Inserción de pS18a en el cromosoma. (A) Ejemplo de comprobación de la inserción del plásmido pS18a dentro del cromosoma de T. thermophilus en uno de los clones obtenidos (HB27c pS18a). Se utilizó DNA de la estirpe rpsL1 y el plásmido pS18a como controles. El carril M corresponde al marcador de peso molecular de DNA Φ29. (B) Esquema de la hibridación de los oligonucleótidos utilizados: O-STR2 (2), O-STR5 (5), O-STR8 (8), O-132pUC (132) (Tabla 8). En color rojo se indica la secuencia de pS18a integrada en el cromosoma. (C) Resultado posible de la integración de pS18a en el cromosoma de T. thermophilus mediante recombinación. El gen rpsL silvestre se muestra de color amarillo, el gen rpsL1 se muestra en color verde. También se indican las posiciones aproximadas del gen r amp (naranja) y de lacZp (flechas verticales azules). Las flechas pequeñas de color negro indican las posiciones de los oligonucleótidos O-STR1 (1), M13-rev (2) y O-STR8 (3) (Tabla 8).

63

Resultados

4.2.8 Construcción de un vector replicativo basado en rpsL1 Para la obtención de un plásmido replicativo seleccionable por estreptomicina en T. thermophilus, amplificamos por PCR la secuencia de DNA correspondiente al origen de replicación autónoma del vector pMK184, derivado de pMK18 (de Grado y cols., 1999; de Grado y cols., 1998) con los oligonucleótidos O-Repnde2d y ORepnder (Tabla 8). El producto de amplificación fue clonado en un derivado de pS18a poseedor de una única diana de restricción NdeI (derivado ΔNdeI), dando lugar al vector pMS18 (Fig. 28). Éste es capaz de replicar en E. coli, confiriendo resistencia a ampicilina y también en T. thermophilus, donde genera dependencia de estreptomicina.

Figura 28: Construcción de pMS18. Se indica la diana de restricción NdeI (Nd) y el Sitio de Multiclonaje (MCS). La orientación de repA fue comprobada mediante digestión y secuenciación.

A continuación se compararon las características de los plásmidos pMS18 y pMK184. El número de copias de ambos era similar, como se pudo evaluar por la cantidad total de plásmido purificado de la misma cantidad de células transformadas con cada uno de ellos. La estabilidad de pMS18 fue ensayada mediante el análisis del mapa de restricción de colonias obtenidas tras 30 generaciones de crecimiento en medio TB líquido con 100 μg/ml de estreptomicina; los datos mostraron que alrededor del 90 % de los plásmidos conservaron el mismo patrón de restricción que el pMS18

64

Resultados

original, lo que apoya la idea de que el plásmido es lo suficientemente estable como para ser utilizado como vector de clonaje.

4.2.9 Dependencia de estreptomicina conferida por pS18 y pMS18 Siguiendo el protocolo de transformación descrito antes, transformamos cultivos en fase exponencial de la cepa silvestre de T. thermophilus con cantidades idénticas (200 ng) de los plásmidos pS18a, pS18b y pMS18, disponiéndose también de controles no transformados. Las placas de medio nutritivo en las que realizamos la extensión de las células contenían concentraciones crecientes de estreptomicina (100, 200, 300, 400, 500, 600 μg/ml). Como era de esperar, la selección con pMS18 dio lugar a 5-10 veces más colonias que las obtenidas con los vectores de integración (Fig. 29a). Cuando un número representativo de colonias (500 aproximadamente) resultantes de cada transformación fueron resuspendidas hasta una D.O.550 de 0.5 en medio TB sin estreptomicina y extendidas posteriormente sobre placas sin el antibiótico, un número inferior a 10 colonias fue detectado tras un período de incubación de 48 h a 70º C, mientras que apareció un césped bacteriano con un control equivalente de células no transformadas. Estos resultados muestran la alta eficiencia del gen empleado en los vectores para ser seleccionado en presencia de estreptomicina y producir dependencia de este antibiótico para crecer (Fig. 29b). Más importante aún, estos datos muestran que las células transformadas con pMS18 también adquieren un fenotipo de dependencia, a pesar de la presencia de una copia cromosómica parental del gen rpsL, como se comprobó mediante PCR (oligonucleótidos 1 y 3 de la Figura 25a). Por tanto, el alelo rpsL1 es dominante sobre la copia parental silvestre cuando se expresa tanto desde un plásmido monocopia como multicopia.

65

Resultados

Bacterias viables (x105)/200 ng

A 8 7 6 C-

5

pS18a

4

pS18b

3

pMS18

2 1 0 100

200

300

400

500

600

Estreptomicina (µg/ml)

Figura 29: Viabilidad frente a estreptomicina de células transformadas con pS18a y pMS18. (A) Número de colonias que crecieron en placas conteniendo la concentración de estreptomicina indicada, tras la transformación con 200 ng de los plásmidos indicados. (B) Dependencia de estreptomicina de cepas de HB27 portadoras de pS18a o pMS18. Partiendo de suspensiones de HB27 portadoras de los plásmidos indicados, éstas fueron extendidas sobre placas con y sin estreptomicina. La concentración de estreptomicina utilizada fue de 100 µg/ml.

4.2.10 Crecimiento de mutantes dependientes de estreptomicina Estudios anteriores mostraron que los ribosomas de mutantes resistentes a estreptomicina tienen una tasa de elongación menor durante la traducción, generando una tasa de crecimiento menor en las cepas mutantes (Ruusala y cols., 1984). Para comprobar si ese crecimiento más lento también ocurría con nuestros mutantes dependientes de estreptomicina, analizamos la curva de crecimiento de derivados de T.

66

Resultados

thermophilus HB27c transformados previamente con rpsL1, con fragmentos de rpsL1 conteniendo K47R o K57E (por separado), o con los plásmidos pS18a o pMS18. Partiendo de cultivos saturados, cada una de las muestras fue reinoculada en medio rico conteniendo 100 μg/ml de estreptomicina (excepto el control no dependiente de estreptomicina) a una D.O.550 de 0.05. Los cultivos fueron incubados a 70º C con agitación (150 rpm) durante 10 h, tomando 1 ml cada hora para medir la D.O.550. Los resultados muestran que todas las cepas transformadas crecen más lentamente que la estirpe control (Tabla 10). Es interesante destacar que la cepa transformada con rpsL (K47R) crece algo más despacio que la transformada con rpsL (K57E), que a su vez es indistinguible de las cepas transformadas con rpsL1 y con pS18a. Esto sugiere que la velocidad de crecimiento de estos mutantes viene determinada por la mutación K57E, mientras que la presencia de la mutación K47R no parece afectar en la velocidad de crecimiento en presencia de K57E (Tabla 10). Dicho de otra forma, la mutación K57E parece compensar parcialmente el efecto en el crecimiento mostrado por la cepa K47R.

Cepa

Tiempo de generación (min)

HB27 C-

40 ± 2

HB27 rpsL1

56 ± 3

HB27 rpsL1 K47R

59 ± 2

HB27 rpsL1 K57E

56 ± 2

HB27 pS18a

56 ± 2

HB27 pMS18

56 ± 2

Tabla 10: Tiempo de generación de las estirpes portadoras de rpsL1 o derivados. La tabla muestra el tiempo de generación de la cepa HB27 transformada con el gen que confiere dependencia a estreptomicina (rpsL1), el fragmento conteniendo la mutación K47R, K57E y los plásmidos pS18a y pMS18. Todos los cultivos fueron crecidos en presencia de estreptomicina (100 µg/ml) exceptuando el control negativo (HB27 C-). Los valores obtenidos corresponden a la media de 3 ensayos independientes.

4.2.11 Utilización de pS18a para la deleción forzada de genes en T. thermophilus Aprovechando su carácter dominante, uno de los usos que se pretendió dar al gen de dependencia a estreptomicina era el aislamiento dirigido de mutantes de deleción sin que quedara huella genética alguna de los sistemas empleados para su obtención. Como ejemplo tratamos de obtener un mutante de deleción completa del gen narC, codificante de un citocromo C de localización periplásmica y necesario para la síntesis de la nitrato reductasa respiratoria de T. thermophilus (Zafra y cols., 2002).

67

Resultados

Para ello, clonamos en pS18a un fragmento KpnI-KpnI de DNA de T. thermophilus de 977 pb que contiene las regiones flanqueantes del gen a eliminar (Olga Zafra, Tesis Doctoral). La construcción resultante, denominada pS18aΔnarC, fue utilizada para transformar la cepa silvestre T. thermophilus NAR1; aproximadamente 50 colonias fueron seleccionadas de las que crecieron en placas de medio nutritivo con estreptomicina (100 μg/ml). Estas colonias fueron resuspendidas en medio sin estreptomicina, incubadas durante 2 h a 70º C y extendidas sobre placas de medio nutritivo sin dicho antibiótico. Bajo estas condiciones crecieron menos del 1 % de las células en comparación con las que sí lo hicieron en placas con estreptomicina. Además, estas colonias eran sensibles a estreptomicina, lo que apoyaba la idea de que podrían haber perdido el alelo rpsL1 (Fig. 30a). El análisis de un número de estas colonias reveló que aproximadamente la mitad de ellas carecían de actividad nitrato reductasa, como era de esperar en mutantes defectivos en narC (Zafra y cols., 2002). La confirmación de la eliminación del gen narC se realizó mediante PCR con los oligonucleótidos FP Pnar dir y O27-32 (Tabla 8). Todas las colonias sin actividad nitrato reductasa ensayadas revelaron que eran mutantes ΔnarC como se demuestra por la amplificación de un fragmento de 653 pb en lugar de las 1441 pb esperadas para la cepa silvestre y su promotor (Fig. 30b).

Figura 30: Utilización de rpsL1 para la deleción forzada de genes. (A) Esquema del protocolo seguido para el aislamiento de los mutantes ΔnarC. La inserción de pS18ΔnarC por recombinación homóloga es seleccionada en placas con estreptomicina (+Str), y la presencia del plásmido es posteriormente contraseleccionada en placas sin antibiótico (-Str). Las flechas marcadas 1 y 2 corresponden a los oligonucleótidos FP PnarDIR y O27-32, respectivamente (Tabla 8), usados en la amplificación por PCR mostrada en el B. (B) PCR con los oligonucleótidos FP PnarDIR y O27-32 (Tabla 8) de DNA total de colonias que no mostraron actividad nitrato reductasa. Los carriles P y W corresponden a la amplificación mediante PCR del plásmido pS18ΔnarC y del DNA total de la cepa silvestre, respectivamente. El carril M corresponde al marcador de peso molecular de DNA. Los números laterales indican los tamaños en pares de bases de los productos de PCR.

68

Resultados

El plásmido pMK184narC (el gen narC de pNIT3Bg fue clonado en pMK184 mediante KpnI) fue obtenido para realizar ensayos de complementación de la mutación de deleción en el gen narC. Los mutantes ΔnarC fueron transformados con este plásmido, y se obtuvieron colonias en placas de TB conteniendo 30 μg/ml de kanamicina. A continuación, fueron inducidos en microaerofilia con nitrato según las condiciones descritas. Como era de esperar, las cepas ΔnarC transformadas con pMK184narC presentaron actividades nitrato reductasa (producción de nitrito), mientras que los controles transformados con pMK184 no presentaron actividad.

4.2.12 Inserción en el cromosoma de una β-galactosidasa termoestable en un fondo genético silvestre El gen bgaA codifica una β-galactosidasa termoestable procedente de la cepa Thermus spp. ATCC 27737 que se puede expresar en T. thermophilus HB27c desde el vector pMKEβgaA (Moreno y cols., 2003). Utilizando las enzimas de restricción XbaI y HindIII, el gen bgaA unido al promotor Pnar inducible por nitrato y anoxia del vector pMKEbgaA fue insertado en las dianas equivalentes del plásmido pS18a y la construcción resultante, denominada pS18a-bgaA (Fig. 31), fue empleada para transformar la cepa T. thermophilus HB27c, seleccionando derivados dependientes de estreptomicina por inserción del plásmido en el cromosoma. Tras el proceso de inducción por nitrato y anoxia comprobamos que el 60 % de las colonias dependientes de estreptomicina obtenidas eran capaces de expresar entre 7 y 10 veces más actividad β-galactosidasa termoestable que la cepa parental transformada con el plásmido pS18a como control (Fig. 32a).

Utilizando la misma estrategia explicada en el ejemplo anterior, el gen bgaA y su promotor inducible por nitrato y anoxia fueron clonados en el plásmido pMS18 y la construcción resultante, denominada pMS18-bgaA (Fig. 31), fue empleada para transformar la cepa T. thermophilus HB27c. El 100 % de los transformantes que crecieron en placas de medio de cultivo con estreptomicina presentaron tras el proceso de inducción una actividad β-galactosidasa 15 a 20 veces superior a la de la estirpe silvestre transformada con el plásmido pMS18 como control (Fig. 32a).

69

Resultados

4.2.13 Inserción en el cromosoma del gen phoA en un fondo genético phoA::kat resistente a kanamicina Hasta ahora, la obtención dirigida de mutantes de inserción en Thermus spp. ha empleado la kanamicina como único marcador de selección, haciendo al receptor resistente a este antibiótico y limitando posibles manipulaciones ulteriores por la limitación de marcadores genéticos termoestables aplicables a alta temperatura. Al actuar la kanamicina sobre la síntesis de proteínas (al igual que el gen rpsL) modificando los ribosomas, existía la posibilidad de que se produjera un cierto fondo de resistencia a estreptomicina en los mutantes resistentes a la kanamicina. Para descartar dicha posibilidad, tratamos de complementar un mutante phoA::kat, resistente a kanamicina, con un gen phoA silvestre expresado desde pS18a. El gen phoA codifica una fosfatasa hiperalcalina termoestable de T. thermophilus (Castán y cols., 2002) que fue clonada y expresada bajo el control de un promotor inducible por anoxia en el plásmido pMKEPA. Este gen y el promotor que lo controla en pMKEPA fueron clonados tanto en pS18a como en pMS18 empleando las enzimas de restricción XbaI y HindIII. Las construcciones resultantes, pS18a-PA y pMS18-PA (Fig. 31) fueron empleadas después para transformar una cepa de T. thermophilus HB27c portadora de la mutación phoA::kat (este trabajo, cepa original descrita por Renata Moreno, Tesis Doctoral). Las colonias que crecieron sobre placas de medio nutritivo con estreptomicina y kanamicina fueron sometidas a ensayo de la actividad fosfatasa alcalina (FA) con el sustrato cromogénico para-nitrofenil fosfato a 80º C y pH 11.3 tras un proceso de inducción estándar por nitrato y anoxia. Los resultados, que se describen en la Fig. 32b, demuestran que ambas construcciones recuperan niveles similares de actividad FA, lo que demuestra que pueden ser incorporadas a T. thermophilus mediante el gen de dependencia a estreptomicina, independientemente del hecho de que la cepa receptora sea ya resistente a kanamicina. La presencia de phoA::kat tras el experimento de integración fue comprobada mediante PCR con los oligonucleótidos AP-1 y KAT4 (Tabla 8) para desechar la posibilidad de que algún evento de doble recombinación hubiera eliminado la mutación phoA::kat del cromosoma. 4.2.14 Inserción en el cromosoma del gen narC en un fondo genético narC::kat resistente a kanamicina El gen narC, descrito previamente en este trabajo, fue clonado junto al promotor que lo controla tanto en pS18a como en pMS18 (Fig. 31). Las construcciones resultantes, pS18a-narC y pMS18-narC fueron empleadas después para transformar la cepa T. thermophilus CKN2 (Zafra y cols., 2002), portadora de la mutación narC::kat. A

70

Resultados

las colonias que crecieron sobre placas con estreptomicina y kanamicina se les midió la cantidad de nitrito presente en el medio de cultivo tras un proceso de inducción estándar por nitrato y anoxia en medio líquido. La Figura 32c muestra que los transformantes con pS18a-narC generaban una concentración de nitrito 30 veces superior que la cepa parental (narC::kat) transformada con el plásmido pS18a como control. Los mutantes transformados con pMS18-narC presentaban una concentración de nitrito 70-90 veces superior que el control transformado con el plásmido pMS18. La presencia de narC::kat tras el experimento de integración con pS18a-narC fue confirmada mediante PCR con los oligonucleótidos FP Pnar Dir y KAT4 (Tabla 8). 4.2.15 Inserción en el cromosoma del gen gfh1 en un fondo genético Δgfh1::kat resistente a kanamicina En las bacterias termófilas del género Thermus, dos factores de elongación de la transcripción (GreA y Gfh1) tienen una alta similitud de secuencia con la familia de factores de transcripción GreA/Gfh1 (Hogan y cols., 2002; Laptenko y Borukhov, 2003). En colaboración con un grupo norteamericano obtuvimos mutantes ΔgreA::kat

y

Δgfh1::kat (Laptenko y cols., 2006). Para la complementación del mutante Δgfh1::kat, el gen gfh1 fue clonado tanto en pS18a como en pMS18 empleando las dianas de restricción EcoRI/SalI desde el plásmido pUC18gfh1 (Laptenko y cols., 2006). Las construcciones resultantes, pS18agfh1 y pMS18-gfh1 (Fig. 31) fueron empleadas para transformar la cepa de T. thermophilus gfh1 (Laptenko y cols., 2006). A las colonias que crecieron sobre estreptomicina les realizamos un ensayo de Western Blot para detectar la presencia de la proteína Gfh1 utilizando anticuerpos específicos contra esta proteína. Los datos de la Figura 32d muestran que prácticamente la totalidad de las colonias ensayadas recuperaron la expresión de la proteína.

71

Resultados

Figura 31: Construcción de plásmidos seleccionables por estreptomicina para ensayos de complementación. En la figura se muestra un clonaje a modo de ejemplo. Las dianas de restricción empleadas y específicas de cada gen elegido (Gen X), se indican como 1 / 2: XbaI/HindIII (bgaA), XbaI/SalI (phoA), KpnI/KpnI (narC), EcoRI/SalI (gfh1). El vector denominado Plásmido-GenX representa pMKEβgaA (bgaA), pMKEPA (phoA), pNIT3Bg (narC) y pUC18gfh1 (gfh1).

B

Actividad β-galactosidasa 400 350 300 250 200 150 100 50 0

-

C

50 40 30 20 10 0

pS18a-bgaA

-

pMS18-bgaA

pS18a-PA

D

Producción de Nitrito 3000

pMS18-PA

wt

pS18a-gfh1 W M1 1

2500 nmoles Nitrito

Actividad Fosfatasa Alcalina

60 Actividad FA (U.M.)

Actividad β-galactosidasa (U.M.)

A

2

3

4

5

6

7

8

2000

9

10

Gfh1

1500 1000 500

pMS18-gfh1

0

-

pS18a-narC

t=0

pMS18-narC

t=4 h

wt

M1

W

1

2

3

4

Gfh1

Figura 32: Ensayos de complementación. Se muestran las actividades β-galactosidasa (A), fosfatasa alcalina (B) y la producción de nitrito (C) en T. thermophilus HB27c, T. thermophilus HB27c phoA y T. thermophilus CKN2 respectivamente, transformadas o no (-) con los plásmidos indicados. En B y C se muestran los valores de la estirpe silvestre (wt) a efectos comparativos. La actividad en (A) y (B) se muestra en Unidades Miller (U.M.) y la producción de nitrito (C) en nmoles. Los tiempos de inducción corresponden al comienzo de la inducción (t=0) y transcurridas 4 horas (t=4h) desde su inicio. (D) Western Blot contra Gfh1 en colonias de un mutante gfh1::kat (carril M1) transformado con los plásmidos indicados. W: Estirpe silvestre.

72

Resultados

CAPÍTULO 3 - DESARROLLO DE UN MARCADOR DE LOCALIZACIÓN TERMOESTABLE EN T. thermophilus 4.3.1 Construcción de vectores La proteína sGFP es una variante de GFP con una cinética de plegamiento más rápida, que fue desarrollada por el grupo del Dr. Waldo (Pédelacq y cols., 2006), y que pensamos que podría ser utilizada como marcador termoestable de localización in vivo en T. thermophilus. El primer paso para la construcción de los vectores de fusión fue la amplificación mediante PCR del gen que codifica sGFP (cedida por el Dr. Waldo) con los oligonucleótidos NdeIMCSLINKsGFPdir y HindIIIsGFPrev que introducían un sitio de clonaje múltiple y una pequeña secuencia de unión delante de la región codificante de la sGFP, y una diana HindIII en 3’ del gen (Tabla 8). El producto de la amplificación fue clonado en pMKEbgaA y en pMKPnqobgaA empleando las dianas de restricción NdeI/HindIII, para dar lugar a los vectores pMKPnarsGFP y pMKPnqosGFP respectivamente (Cava y cols., 2007b). A partir de pMKPnqosGFP, el fragmento PnqosGFP fue liberado mediante digestión con las enzimas de restricción XbaI/HindIII, y posteriormente fue clonado en pMH184 para dar lugar a pMHPnqosGFP (Fig. 33). Este plásmido incluye el promotor Pnqo (450 pb) para controlar la expresión en T. thermophilus y el promotor lacZp para permitir la expresión en E. coli (Fig. 33). El plásmido pMHPnqoeGFP fue construido mediante el reemplazo del gen que codifica sGFP por el que codifica la forma eGFP (“enhanced” GFP), aislado por Cormack (Cormack y cols., 1996). E Xb

H

sgfp / egfp

lacZp Pnqo

NdeI

NcoI

BcuI

ClaI

repA

hph5

EcoRI

oriE

pMHPnqosGFP / pMHPnqoeGFP

LINKER

cat atg cca tgg act agt atc gat gaa ttc tct gga gga gga gga M

P W T

S

I

D

E

F S G

G

G

G

- sGFP / eGFP

Figura 33: Plásmido para la expresión de las proteínas de fusión con sGFP. Se indican las dianas de restricción EcoRI (E), XbaI (Xb) y HindIII (H) y el gen de selección hph, junto con los orígenes de replicación para Thermus spp. (repA) y para E. coli (oriE). En la parte inferior se detalla la secuencia de clonaje múltiple y la región de unión (LINKER) preparadas para generar fusiones X-sGFP.

73

Resultados

4.3.2 sGFP es activa in vivo a altas temperaturas Los niveles de expresión de sGFP de pMHPnqosGFP en E. coli y T. thermophilus bajo diferentes condiciones fue determinado por Western Blot utilizando anticuerpos específicos contra GFP (Fig. 34a). La expresión basal de sGFP desde pMHPnqosGFP en cultivos de E. coli crecidos a 37º C se muestra en el carril 1. Como el gen que codifica sGFP está bajo el control de lacZp en este plásmido, la adición de glucosa al medio dio como resultado la represión de la expresión de sGFP (Fig. 34a, carril 2). Por el contrario, la adición de IPTG indujo su expresión (Fig. 34a, carril 3). Así, la expresión de sGFP desde pMHPnqosGFP en E. coli puede ser regulada según sea requerida. En T. thermophilus, la expresión de sGFP desde pMHPnqosGFP se encuentra bajo control de Pnqo, que responde al estado energético de la bacteria (Cava y cols., 2007b). Por tanto, los niveles de sGFP fueron máximos durante el crecimiento aeróbico (Fig. 34a, carril 4), se encontraron severamente disminuidos en condiciones de microaerofilia con nitrato (Fig. 34a, carril 5) o completamente eliminados en anaerobiosis (Fig. 34a, carril 6). Estos resultados muestras que los niveles de sGFP, y probablemente de las fusiones proteína-sGFP, pueden ser reguladas tanto en E. coli como en T. thermophilus cuando son expresadas desde pMHPnqosGFP.

4.3.3 sGFP es activa a alta temperatura Cultivos de T. thermophilus expresando sGFP o eGFP fueron tratados con formaldehído a 70º C para “capturar” el estado de las variantes de GFP, y posteriormente fueron tratadas para su análisis por microscopía confocal. Ambas proteínas mostraron unos niveles de expresión similares a 70º C desde pMHPnqosGFP y pMHPnqoeGFP (Cava y cols., 2007b). La Figura 34b muestra que en células que expresaron sGFP fueron detectados altos niveles de fluorescencia, mientras que no pudo detectarse señal bajo las mismas condiciones en células que expresaron eGFP (Fig. 34c). Estos datos demuestran que sGFP fue expresada y plegada correctamente en T. thermophilus a 70º C, mientras que la actividad de eGFP es prácticamente nula a elevadas temperaturas.

74

Resultados

Figura 34: Expresión de sGFP a alta temperatura. (A) Western Blot para la detección de sGFP expresada desde pMHPnqo-sGFP en cultivos de E. coli crecidos en LB sin glucosa (-, carril 1), con glucosa (Glc, carril 2), suplementado con IPTG (IPTG, carril 3), en cultivos de T. thermophilus NAR1 crecidos aeróbicamente en TB (O2, carril 4), en TB suplementado con nitrato bajo condiciones de microaerofilia (MN, carril 5) o condiciones anaeróbicas (AN, carril 6). (B/C) Imágenes de microscopía confocal, fue detectada fluorescencia en cultivos exponenciales de T. thermophilus portando el plásmido pMHPnqosGFP, que codifica sGFP (B). No fue detectada una fluorescencia apreciable en cultivos portando pMHPnqoeGFP, que codifica eGFP (C). Las células fueron tratadas con formaldehido a 70º C.

4.3.4 Construcción y expresión de fusiones proteína-sGFP Para comprobar la utilidad de sGFP como una herramienta para la localización de proteínas en T. thermophilus, sGFP fue fusionada al extremo carboxilo terminal de proteínas que se encuentran en entornos celulares diferentes. Escogimos GroES, la subunidad pequeña de la chaperona citoplasmática GroES/GroEL (TTC1713) y PhoA, una fosfatasa hiperalcalina que se localiza en el periplasma de T. thermophilus (Castán y cols., 2002) (Fig. 35a). Para la construcción de las fusiones se amplificaron por PCR los genes que codifican GroES y PhoA utilizando oligonucleótidos que introducen los sitios de restricción BcuI y ClaI (Tabla 8). Los productos de PCR obtenidos fueron digeridos con estas enzimas y clonados en los correspondientes sitios de restricción de pMHPnqosGFP. Células de cultivos de T. thermophilus expresando GroES-sGFP y PhoA-sGFP desde pMHPnqosGFP fueron tratados para separar las fracciones soluble e insoluble (membrana) y la presencia de GFP fue analizada por Western Blot. Como se muestra en la Figura 35b, la masa molecular aparente de las proteínas de fusión corresponde con sus masas teóricas: 37.7 kDa para GroES-sGFP y 71.5 kDa para PhoA-sGFP. Ambas fueron detectadas en la fracción soluble, lo cual indica que las proteínas de fusión plegaron correctamente y no agregaron.

75

Resultados

Figura 35: Construcción y detección de fusiones con sGFP. (A) Diagrama esquemático que muestra las proteínas de fusión citoplásmicas (GroES) y periplásmicas (PhoA) con sGFP y los correspondientes plásmidos de expresión utilizados. (B) Western Blot con anticuerpos específicos contra sGFP, de las proteínas de fusión GroE-sGFP y PhoA-sGFP. Se muestra el tamaño y la distribución de las proteínas de fusión entre las fracción soluble (S) y de membrana (M).

Para determinar si la proteína de fusión PhoA-sGFP era funcional, los mutantes de T. thermophilus phoA y csaB fueron transformados con el plásmido pMHPhoA-SGP. Como se ve en la Tabla 11, la expresión de la fusión PhoA-sGFP en la cepa silvestre y en los mutantes phoA y csaB producen un aumento de la actividad fosfatasa alcalina de 3 a 4 veces. El ensayo de detección de la actividad fosfatasa alcalina fue realizado como se ha descrito previamente. Estos datos demuestran que la presencia de la sGFP en posición carboxilo terminal de PhoA no interfiere con el plegamiento de esta enzima. CEPA

-sGFP

PhoA-GFP

wt

30 ± 5

109 ± 12

phoA

17 ± 4

74 ± 8

csaB

56 ± 7

256 ± 31

Tabla 11: Actividad enzimática. Se muestra la actividad Fosfatasa Alcalina (Unidades Miller) de la cepa de T. thermophilus y de los mutantes phoA y csaB.

76

Resultados

4.3.5 Localización in vivo de proteínas fusión con sGFP La observación de la distribución de las proteínas fusión fue realizada mediante microscopía confocal de cultivos de T. thermophilus expresando las fusiones GroES- y PhoA-sGFP. Como cabía esperar de su naturaleza citoplasmática, las imágenes revelaron una fluorescencia homogénea en las células que expresaron GroES-sGFP (Fig. 36a), mientras que la fluorescencia debida a la PhoA-sGFP fue detectada distribuida en la periferia de las células de forma uniforme exceptuando en el septo (Fig. 36b).

A

GroE-sGFP

B

1 µm

PhoA-sGFP

1 µm

Figura 36: Localización de las proteínas de fusión con sGFP. Las imágenes muestran la cepa silvestre de T. thermophilus expresando GroES-sGFP (A) y PhoA-sGFP (B).

4.3.6 Expresión de PhoA-sGFP en mutantes de T. thermophilus csaB El patrón de fluorescencia obtenido con la fusión PhoA-sGFP, aparte de su naturaleza soluble, sugiere que PhoA se encuentra localizada en el periplasma. En células de la estirpe silvestre T. thermophilus es difícil el fraccionamiento de los contenidos del periplasma debido a la unión de la capa S a los polímeros secundarios de la pared celular (SCWP, “Secondary Cell Wall Polymers”), que se encuentran unidos covalentemente al peptidoglicano. Por tanto, la fusión PhoA-sGFP fue expresada en un mutante en csaB que interrumpe la interacción entre la capa S y los SCWP (Cava y cols., 2004), lo cual conduce a la aparición de Cuerpos Multicelulares (MB, “Multicellular Bodies”). Los MBs son un grupo de células de T. thermophilus que comparten una membrana externa común que rodea un periplasma inmenso (Castán y cols., 2002). Este periplasma de mayor tamaño permite a esta cepa la producción de cantidades superiores de actividad fosfatasa alcalina que la estirpe silvestre, tanto para PhoA como para la fusión PhoA-sGFP (Tabla 11). Debido a su tamaño y a la

77

Resultados

fragilidad de su envuelta externa, los MBs pueden ser concentrados por centrifugación y rotos mecánicamente, lo que permite el análisis directo del contenido periplásmico (Castán y cols., 2002). Como se muestra en la proyección-Z del MB mostrado en la Figura 37, la fluorescencia producida por PhoA-sGFP fue localizada en el MB y concentrada alrededor de las células en formación. Los MBs de T. thermophilus que expresaron la fusión PhoA-sGFP fueron fraccionados para la detección mediante anticuerpos específicos de GFP (Fig. 38). La mayor parte de la proteína fusión PhoA-sGFP fue detectada en la fracción periplásmica, obtenida como fracción soluble tras una rotura mecánica suave de los MM (Fig. 38; carril 5), y sólo fue encontrada asociada a la fracción particulada una pequeña cantidad (Fig. 38; carril 4). Por otra parte, sGFP no fue detectada en la fracción citoplásmica obtenida de células rotas (Fig. 38; carril 3). En comparación, cuando fue expresada en células de la estirpe silvestre, PhoA-sGFP fue detectada en la fracción soluble (Fig. 38; carril 2), que incluye los contenidos citoplasmáticos y periplásmicos. En conjunto, estos datos demuestran que la proteína fusión PhoAsGFP es transportada eficientemente en forma activa al periplasma de T. thermophilus.

Figura 37: Expresión de PhoA-sGFP. (A) Localización de la proteína de fusión PhoA-sGFP en la cepa mutante csaB de T. thermophilus. (B) PhoA-sGFP es transportada al periplasma de T. thermophilus. Células de la cepa silvestre de T. thermophilus portando pMHPhoA-sGFP (wt) fueron cultivadas hasta fase exponencial, lisadas y fraccionadas. La presencia de la proteína de fusión PhoA-sGFP en las fracciones soluble (S, 2) o de membrana (M, 1) fue determinada mediante Western Blot. Los cultivos del mutante csaB::kat de T. thermophilus portando pMHPhoA-sGFP fueron fraccionados para separar las fracciones citoplásmica (C, 3), de membrana (M, 4) y periplásmica (P, 5).

78

Resultados

CAPÍTULO 4 - DISEÑO DE UN NUEVO SISTEMA DE SELECCIÓN EN Thermus thermophilus DE PROTEÍNAS MUTANTES TERMOESTABLES 4.4.1 Modelo de termoestabilización de proteínas Aunque los organismos termófilos constituyen una enorme fuente de enzimas termófilas, propiedades como la baja actividad específica o la falta de actividad a bajas temperaturas han propiciado la búsqueda de procedimientos para permitir la selección de enzimas hechas a medida en un proceso conocido como “evolución dirigida”. El modelo de selección de formas estables de proteínas presentado a continuación ha sido concebido en colaboración con la empresa Biométhodes (Levry, Francia) y desarrollado conjuntamente con nuestro laboratorio. Dicho método permite la selección de mutantes termoestables de cualquier proteína en T. thermophilus. El método está basado en la expresión de la proteína a estabilizar como fusión Nterminal de una proteína que confiere resistencia termoestable a un antibiótico (kanamicina

nucleotidiltransferasa):

una

enzima

termosensible

no

plegará

correctamente, interferirá en el plegamiento de la proteína de resistencia y hará al organismo sensible al antibiótico, mientras que un mutante más estable no provocará tales interferencias, y permitirá la expresión de la resistencia al antibiótico (Fig. 38). AAAGSSGSI

IFN γ

Insoluble a 60-70 ºC (silvestre)

kat

Soluble a 60-70 ºC (mutantes)

SENSIBLES A KANAMICINA

RESISTENTES A KANAMICINA

NO SE OBTIENEN COLONIAS

SE OBTIENEN COLONIAS

Figura 38: Esquema del modelo de termoestabilización de proteínas.

79

Resultados

4.4.2 Construcción de vector para termoestabilización El vector requerido para el método de termoestabilización propuesto está basado en el vector pUC18. El primer paso fue clonar el origen de replicación de pMS18 en el vector pUC18 mediante digestión con la enzima de restricción NdeI, obteniendo el vector pUC18Rep (Fig. 39). La orientación fue comprobada mediante secuenciación, el gen repA queda orientado en sentido contrario al promotor lacZp de pUC18. El segundo paso fue clonar desde pKT1 el gen kat mediante digestión con la enzima de restricción BamHI en el vector pUC18Rep, obteniendo el vector pUC18RepKAT (Fig. 39). Mediante secuenciación fue comprobado que el gen kat queda orientado en sentido contrario a lacZp de pUC18Rep. El vector final (pNCK) es un derivado de pUC18RepKAT en el que se han insertado las dianas de restricción NcoI y NotI para el clonaje de la librería de Interferón Gamma humano, además de una secuencia de 27 nucleótidos que codifica 9 aminoácidos que actuarán de unión entre el Interferón Gamma (IFN-γ) y la kanamicina nucleotidil transferasa (Chautard y cols., 2007) (Fig. 39).

Figura 39: Construcción de pNCK. Se indican las dianas de restricción NdeI (Nd), EcoRI (E), BamHI (B), HindIII (H), NcoI (Nc), y NotI (N). Se indica el Sitio de Multiclonaje (MCS) y la secuencia de aminoácidos del “linker” (LNK). La orientación del gen kat fue comprobada mediante digestión y secuenciación.

80

Resultados

Sobre este vector fue clonado el gen del Interferón Gamma humano, generando el vector pNCK-IFN-γ. Este vector fue utilizado como molde para generar la librería de Interferón Gamma mediante Massive Mutagenesis®

(Saboulard y cols., 2005).

También a partir de este vector fueron construidos varios controles para probar las condiciones óptimas de selección: IFN-γ::K43E (denominado M1) (Lunn y cols., 1992), que codifica una proteína sensible a la temperatura; IFN-γ::Q133L (M2) (Biométhodes), que teóricamente codifica una proteína más estable a la temperatura que la proteína silvestre; IFN-γ STOP (M3) (Biométhodes), que codifica una proteína con un codón de parada a 30 pares de bases antes del final de la secuencia del gen del IFN-γ; IFNγ::E30C/S92C (M4) (Waschutza y cols., 1996), que codifica una proteína más estable a la temperatura; IFN-γ::Δ10 (Slodowski y cols., 1991), que codifica una proteína truncada más estable a la cual le faltan los 10 últimos aminoácidos; por último también fue construido como control un derivado de pNCK sin los 27 nucleótidos de la secuencia de unión, que fue denominado pNCK-.

4.4.3 Condiciones óptimas de selección de mutantes termoestables Antes de realizar los ensayos para buscar mutantes termoestables en la librería generada de Interferón Gamma, había que poner a punto las condiciones de selección para el ensayo posterior. Para establecer las condiciones óptimas de selección, transformamos T. thermophilus HB27 con los diferentes controles (Fig. 40) y seleccionamos a concentraciones crecientes de kanamicina y a dos temperaturas (60 y 70º C). En cada una de las placas de selección se dispusieron 10 μl de una dilución 1/10 de bacterias tras 4 h de transformación. Desechamos los controles M1 y M2 descritos anteriormente debido a la escasa información que nos aportaron en los ensayos preliminares (datos no mostrados). Comparado con los controles pNCK (que contiene la secuencia de 9 aminoácidos) y pNCK- (sin esta secuencia), la estirpe silvestre de IFN- γ con la fusión del gen kat (pNCK-IFN-γ wt) era más sensible a kanamicina a ambas temperaturas, aunque aún conservaba cierta capacidad de crecimiento en placas a 60º C con concentraciones de 20-40 μg/ml de kanamicina. Por otro lado, fusiones con mutantes termoestables de IFN-γ (M4 y Δ10, descritos anteriormente) produjeron niveles de resistencia superiores a las de la estirpe silvestre a ambas temperaturas, mientras que la construcción de un mutante con un codón de parada era más sensible que el Interferón Gamma silvestre. Es interesante ver como en los ensayos a 60º C y una concentración de kanamicina de 80 µg/ml, el control IFN-γ silvestre (wt) (cuadro 1, Fig.

81

Resultados

40b) es incapaz de crecer en condiciones en las que el control termoestable Δ10 (cuadro 2, Fig. 40b), muestra crecimiento. Este mismo resultado puede verse en los ensayos a 70º C y una concentración de kanamicina de 40 µg/ml, el control IFN-γ silvestre (wt) (cuadro 3, Fig. 40b) es incapaz de crecer mientras que los mutantes termoestables M4 (cuadro 4, Fig. 40b) y Δ10 (cuadro 5, Fig. 40b) muestran crecimiento.

Figura 40: Funcionalidad del sistema de selección. (A) Fusiones IFN γ-kat. En color azul claro se indica la secuencia del “linker”. La estrella de color naranja indica el codón de parada en el plásmido -1 “Stop”. (B) Ensayos de gota por duplicado (10 µl de dilución 10 ) a 60 y 70º C y concentraciones crecientes de estreptomicina de la cepa silvestre sin transformar (wt) o transformada con los plásmidos indicados en el superior izquierdo.

Según nuestros ensayos, la termoestabilidad de las diferentes formas de Interferón Gamma se muestra como una combinación de dos parámetros: temperatura y concentración a kanamicina; en consecuencia, se confirma la hipótesis de la relación directa entre la estabilidad teórica y el nivel de resistencia a kanamicina a una

82

Resultados

temperatura concreta. A la segunda conclusión que llegamos con estos ensayos es que bajo las circunstancias apropiadas se pueden seleccionar mutantes termoestables desde una librería de mutantes en Interferón Gamma fusionados al gen kat en el vector pNCK.

4.4.4 Obtención de mutantes termoestables de Interferón Gamma humano Tras haber realizado los ensayos preliminares de selección, establecimos como criterio de selección una temperatura de 70º C y dos concentraciones de kanamicina: 20 μg/ml (condiciones poco restrictivas) y 40 μg/ml (muy restrictivas). Utilizamos una preparación de DNA de la librería de Interferón Gamma para transformar mediante electroporación la cepa HB27 de T. thermophilus. Tras una incubación de 4 horas, extendimos las bacterias en placas de medio rico conteniendo kanamicina a 20 y 40 μg/ml, y las incubamos a 70º C durante 48 h. A partir de aproximadamente 106 transformantes en las placas que contenían 20 μg/ml de kanamicina obtuvimos cerca de 200 colonias, mientras que en las placas que contenían 40 μg/ml de kanamicina obtuvimos 35 colonias. El vector conteniendo la fusión de Interferón Gamma silvestre fue utilizado como control de transformación para asegurar la existencia de presión selectiva; asimismo el control positivo pNCK fue utilizado para establecer la eficiencia de la transformación. Los plásmidos obtenidos fueron amplificados y utilizados para la transformación de E. coli para su posterior estudio, y de éstos fueron elegidos 120 clones. Aproximadamente el 80 % de los plásmidos aislados a partir de los clones seleccionados presentaban un perfil normal en geles de agarosa, así que 96 de ellos fueron secuenciados. De estos, un 10 % presentaban un codón de parada al principio de la secuencia del interferón o la eliminación de 1-2 pb (siempre cerca del extremo 5’), un fenómeno ya descrito con anterioridad (Cabantous y cols., 2005). Los clones pertenecientes a la estirpe silvestre también fueron descartados y otros muchos estaban repetidos, dejando un total de 33 mutantes, de los que se ensayaron 31. De estos, 17 presentaban 1 mutación, 9 contenían 2 mutaciones, 2 tenían 3 mutaciones y otros 3 acumulaban 5 mutaciones.

83

Resultados

4.4.5 Factor de Termoestabilidad (TF) de los mutantes de Interferón Gamma humano La termoestabilidad de los 31 clones fue ensayada de nuevo en T. thermophilus mediante la determinación del “Factor de Termoestabilidad” (TF), descrito en Materiales y Métodos (Fig. 9). Cada uno de los clones ensayados fue utilizado para transformar la cepa HB27 de T. thermophilus; tras 4 h de incubación fueron extendidos 100 µl de la transformación en placas de medio rico con 20 o 40 µg/ml de kanamicina y fueron incubados a 60 o 70º C durante 48 h, según lo expuesto anteriormente. Los datos de la Tabla 12 muestran los TF de los clones, algunos de ellos muestran una termoestabilidad aparente superior a la de algunos mutantes descritos previamente, como el M4 (Waschutza y cols., 1996) o Δ10 (Slodowski y cols., 1991). Resulta sorprendente

también

la

presencia

de

algunos

clones

(4)

con

estabilidad

aparentemente similar o inferior a la de la cepa silvestre.

Tabla 12: Factor de Termoestabilidad. Se muestra la TF de los clones seleccionados y de los controles de IFN-γ. Se indican el número de mutaciones de cada uno de los clones. La concentración de kanamicina (kana) está indicada en µg/ml.

84

Resultados

Además de los clones originales aislados de T. thermophilus, fueron generados mutantes simples de algunos de los mutantes con 2 y 3 cambios para determinar el efecto en la termoestabilidad de cada una de las mutaciones individuales (Biométhodes). El Factor de Termoestabilidad de los mutantes simples generados se muestra en la Tabla 13.

Tabla 13: Factor de Termoestabilidad de mutantes simples. Se muestran los TFs de los controles de IFN-γ, cinco mutantes con 2 y 3 mutaciones y los mutantes simples correspondientes a los mutantes múltiples seleccionados. Se indican el número de mutaciones de cada uno de los clones.

Comparando los TFs de estos mutantes simples respecto a sus mutantes compuestos, pudieron observarse diferentes tipos de mutaciones según su combinación (Fig. 41): en el caso de las mutaciones R162Q y A164E, la primera tiene un efecto nulo sobre el TF mientras que la segunda mutación es más termoestable que el doble mutante (Fig. 41a); mutaciones C21G y F159C contribuyen a la termoestabilidad (Fig. 41b); las mutaciones T50Y, Y121T y M140P: la primera mutación es neutra y las otras dos producen un efecto sumatorio sobre la TF total (Fig. 41c); mutaciones Y22D y S122H: las dos mutaciones son neutras por separado pero confieren una alta termoestabilidad a la proteína cuando se combinan (Fig. 41d).

85

Resultados

B

A 1

0,25

0,9 0,8

0,2

0,6

TF20

TF20

0,7

0,5 0,4

0,15

0,1

0,3 0,2

0,05

0,1 0

0

R162Q, A164E

A164E

R162Q

C

C21G, F159C

C21G

Y22D, S122H

Y22D

F159C

0,6

0,5

0,5

0,4

0,4

TF20

TF20

D 0,6

0,3

0,3

0,2

0,2

0,1

0,1

0

0

T50Y, Y121T, M140P

T50Y

Y121T

M140P

S122H

Figura 41: Comparación del Factor de Termoestabilidad. Se muestra una comparación en TF de mutantes de IFN-γ obtenidos respecto a sus mutantes simples obtenidos mediante PCR (Biométhodes). (A) R162Q/A164E: Una mutación es termoestable (A164E) y la otra es nula (R162Q). (B) C21G/F159C: Ambas mutaciones contribuyen a la termoestabilidad pero no hay efecto sumatorio. (C) T50Y/Y121T/M140P: Una mutación es neutra (T50Y) y las otras dos parecen tener efecto sumatorio sobre la TF final. (D) Y22D/S122H: Mutación sinergística, ambas mutaciones son neutras por separado pero confieren una elevada termoestabilidad cuando se combinan.

Como el proceso de selección es independiente de actividad, el siguiente paso era comprobar cuales de las proteínas mutantes termoestables mantenían su actividad biológica. Este tercer paso fue realizado en Biométhodes. Las sustituciones de los aminoácidos de interés fueron introducidas en los genes codificantes y las proteínas fueron producidas en células COS-7, para posteriormente realizar un ensayo de actividad biológica. Aproximadamente el 15 % de los mutantes eran inactivos o no fue posible producirlos. La termoresistencia de aquellos que mantenían al menos el 50 % de la actividad de la proteína silvestre fue ensayada, seleccionándose 7 mutantes activos y termoestables: C21W, W59F, M100N, M140P, F159C, R162E y R163T.

86

Resultados

4.4.6 Resistencia de mutantes termoestables de IFN-γ a agentes caotrópicos La digestión enzimática de una proteína ha sido reconocida como un método efectivo para distinguir entre conformaciones plegadas y no plegadas (Park y Marqusee, 2005). La digestión proteolítica efectiva de una proteína requiere el desplegamiento global o local del sustrato (Park y Marqusee, 2004), por lo que las proteínas en diferentes estados de plegamiento tendrán una susceptibilidad proteolítica diferente. Siguiendo el método desarrollado por Park y Marqusee (Park y Marqusee, 2005), quisimos comprobar in vitro si los mutantes termoestables de IFN-γ eran más estables frente a desplegamiento que la estirpe silvestre. Para ello realizamos una modificación del ensayo de “pulso proteolítico” (Park y Marqusee, 2005) con la proteína silvestre y los mutantes M100N y F159C de IFN-γ. El ensayo consistía en incubar estas proteínas en concentraciones crecientes de Urea para posteriormente someterlas a un pulso de termolisina. El aumento de la concentración de Urea desnaturaliza las proteínas desplegadas y permite la acción de la termolisina; por tanto las variantes termoestables, que serían más estables al desplegamiento no serían degradadas con tanta facilidad como a la estirpe silvestre. La Figura 42 muestra que los dos mutantes son más resistentes a la degradación por termolisina que la estirpe silvestre. También se puede comprobar que el TF está relacionado de algún modo con la resistencia a la degradación dado que F159C presenta un TF y una resistencia a la degradación proteolítica superior que M100N.

Figura 42: Pulso proteolítico. Western Blot contra Interferón Gamma humano de la proteína silvestre y los mutantes M100N y F159C tras ser sometidos a concentraciones crecientes de Urea (0, 2, 4 y 6 M) y a un pulso de termolisina (Materiales y Métodos).

4.4.7 Localización de mutaciones en la estructura del Interferón Gamma Una vez calculado el Factor de Termoestabilidad de los mutantes en IFN-γ obtenidos, quisimos conocer la base estructural del incremento en termoestabilidad de estos mutantes. Para ello, utilizamos el programa Deep View y el servidor SWISSMODEL para generar modelos en los cuales se sustituye el aminoácido de la proteína silvestre por el mutado. Una vez obtenidos estos modelos, utilizamos el programa PyMol para ver la localización de estas mutaciones, comparadas con el aminoácido original, en la estructura del Interferón Gamma humano. La Figura 43 muestra algunos

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Resultados

ejemplos cuya mayor estabilidad podría explicarse por interacciones hidrofóbicas (L51F, Fig. 43a), por interacción entre cargas de la misma cadena (E98K, Fig., 43b), por interacción entre cargas de las dos cadenas del homodímero (S63R, Fig. 43c) o por interacciones hidrofóbicas (M140P, Fig. 43d). No podemos hacer hipótesis sobre el efecto de muchas de las mutaciones más interesantes, ya que éstas se encuentran fuera de la estructura 3D conocida, que va de los aminoácidos Q24 a T149.

Figura 43: Estructura de mutantes termoestables de IFN-γ. Se muestran las dos cadenas del IFN-γ de color amarillo y verde; el aminoácido de interés se muestra de color naranja (silvestre) y azul claro o violeta (mutado); también se muestran los átomos de oxígenos (color rojo) y de nitrógeno (color azul oscuro). (A) L51F (B) E98K (C) S63R (D) M140P.

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DISCUSIÓN

Discusión

Thermus es uno de los géneros de eubacterias de mayor expansión a nivel mundial y es un excelente candidato entre los termófilos extremos para ser empleado como “factoría celular” para la producción de enzimas termófilas. Por otro lado, la necesidad de herramientas genéticas para Thermus, que permitan la expresión heteróloga de genes termófilos, no se limita solo a la producción de termozimas. En ausencia de dichas herramientas, huéspedes como E. coli son usados para analizar la función de genes y de sus productos génicos de termófilos e hipertermófilos. Aunque algunas de estas aproximaciones pueden resultar en el conocimiento de una actividad catalizada por tal enzima, existe la posibilidad de que la relevancia en el termófilo sea muy distinta; por ello, tanto para el estudio de la función de ciertos genes in vivo como también de su interacción con componentes celulares, es necesario el desarrollo de herramientas de manipulación génica in vivo en estos organismos. En esta Tesis Doctoral hemos desarrollado nuevos marcadores de selección que incrementen las posibilidades de selección positiva a altas temperaturas en Thermus spp. También hemos desarrollado sistemas de localización in vivo basados en la fusión de una proteína de interés con un mutante de GFP que es funcional a altas temperaturas (Pédelacq y cols., 2006), para poder ser utilizado en Thermus spp y así conocer más acerca de la organización subcelular de las bacterias termófilas. Por último, hemos desarrollado un método universal que permite la selección de mutantes termoestables de cualquier proteína en T. thermophilus. En los siguientes epígrafes se discuten con detalle los resultados obtenidos en la consecución de cada uno de estos objetivos.

Nuevos marcadores de selección -Higromicina: La limitación de resistencias a antibióticos disponibles para selección positiva a altas temperaturas en organismos termófilos ha llevado a diversos grupos a tratar de adaptar enzimas mesófilas de resistencia a antibióticos para ampliar el espectro de herramientas disponibles para trabajar con dichos organismos. Hasta 2005, la única resistencia termoestable disponible para selección en Thermus era la kanamicina nucleotidil transferasa, aislada en 1985 por Matsumura y Aiba (Matsumura y Aiba, 1985), simultáneamente a Liao (Liao y cols., 1986), utilizando en ambos casos el método de evolución dirigida, empleando por primera vez un organismo termófilo como hospedador. Más adelante, en nuestro laboratorio, este gen fue clonado bajo el control del promotor y la señal de unión al ribosoma del gen slpA, que codifica la proteína de capa S de T. thermophilus, lo que garantizaba un nivel de expresión elevada en

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Discusión

Thermus. De hecho, este gen de selección pudo ser empleado en copia sencilla para el aislamiento de mutantes de inserción en T. thermophilus (Lasa y cols., 1992). Desde entonces se han efectuado diversos intentos de obtener formas estabilizadas de enzimas de resistencia a cloranfenicol y tetraciclina sin éxito. No obstante, en 2001 Cannio (Cannio y cols., 2001) aisló mediante un protocolo de evolución dirigida en S. solfataricus un mutante de la higromicina B fosfotransferasa (hph) de E. coli funcional a 75º C. Como este gen era capaz de expresar un fenotipo de resistencia a higromicina B en S. solfataricus, Nakamura trató de adaptarlo a T. thermophilus con resultado negativo. En vista de ello desarrolló un protocolo de selección dirigida en T. thermophilus mediante el cual aisló mutantes del gen que permitían el crecimiento de T. thermophilus, combinando 5 de ellos en el mutante hph5, que es el que hemos empleado en la primera parte de la tesis. Partiendo de este gen (hph5), generamos un plásmido (pMH184) en el que la actividad de resistencia era expresada desde el promotor PslpA. Los ensayos que realizamos con este vector en presencia de higromicina B mostraron que nuestro vector sí era funcional a 70º C, la temperatura óptima de crecimiento de T. thermophilus. Los motivos por los cuales nuestro vector pMH184 es funcional a una temperatura mayor que el vector desarrollado por Nakamura podrían estar relacionados con la elevada expresión conferida por el promotor PslpA, más potente que el utilizado por Nakamura. Alternativamente, podría ser que el vector de Nakamura fuera inestable a temperaturas superiores a 65º C, mientras que pMH184 sí que es estable a esas temperaturas, como se ha podido comprobar mediante los experimentos realizados (Fig. 13). Dado que también hemos podido comprobar que pMH184 es más tolerante que el vector original respecto a la concentración de higromicina presente en el medio de cultivo, permitiendo el crecimiento a concentraciones de higromicina superiores comparado con el vector original, la explicación más probable apunta a la mayor actividad promotora que dirige la expresión de hph5 en pMH184. El desarrollo de vectores basados en la resistencia termoestable a higromicina ha demostrado ser muy útil para el análisis genético de T. thermophilus: su compatibilidad con la resistencia a kanamicina nos permite su uso en ensayos de complementación sobre cepas de T. thermophilus mutantes de inserción portadores del gen kat. En nuestro caso, hemos podido complementar mutantes de inserción en el gen narC. Otra utilidad que puede tener este tipo de vectores es su uso para la construcción de vectores de prueba de promotores. Como gen testigo utilizamos, además del ya conocido bgaA (Moreno y cols., 2003), el gen bgl de T. thermophilus que codifica una β-glucosidasa termoestable de menor tamaño que bgaA. Para dar

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Discusión

validez al sistema, utilizamos Pnar y Pnqo, dos promotores sometidos a controles inversos por anoxia y nitrato. Los resultados nos indicaron que este tipo de vectores puede ser utilizado para probar distintos promotores (Fig. 17) (Cava y cols., 2007). Sin embargo, observamos que los derivados sin promotores presentaban unos niveles de expresión bastante mayores (250-300 U.M.) que el fondo (20-30 U.M.). Estos datos indican que hay expresión desde lacZp o desde alguna zona próxima, algo que no detectábamos con derivados que empleaban el gen bgaA como testigo (Cava y cols., 2007). -Estreptomicina: Con anterioridad a la publicación de Nakamura, nosotros intentamos aislar otras resistencias termoestables para Thermus, y muy especialmente a estreptomicina, de la que ya se conocía su eficiencia como antibiótico de selección a alta temperatura por los trabajos de análisis de los sistemas de transformación (Koyama y cols., 1986), así como en los de estructura y función del ribosoma de Thermus (Gregory y cols., 2001). Puesto que la información de que disponíamos respecto a la resistencia a estreptomicina en T. thermophilus apuntaba como más frecuente la alteración del gen rpsL, codificante de S12, y dado el pequeño tamaño de éste, pensamos que sería factible la utilización de algún alelo mutante de este gen como criterio de selección. De hecho, la estrategia que seguimos para obtener un alelo de alta eficiencia de transformación y seleccionable sobre estreptomicina dio fruto de forma inmediata, permitiendo aislar el alelo rpsL1 que, para nuestra sorpresa, acumulaba dos mutaciones en vez de una. Este hecho es teóricamente poco esperable debido a la baja probabilidad de una mutación doble simultánea (10-12 a 10-14), salvo que sucediera de forma secuencial a través de alguna clase de selección efectiva durante las primeras generaciones. La fuerza selectiva más probable podría ser el requerimiento de una mutación compensatoria secundaria que pudiera aliviar un fuerte defecto en el crecimiento provocado por la mutación primaria. En este caso, es interesante comparar el alelo rpsL1 de T. thermophilus con los mutantes de E. coli dependientes de estreptomicina descritos por Timms y Bridges (Timms y Bridges, 1993). Estos autores encontraron que los mutantes dobles en rpsL aparecían con una elevada frecuencia entre los mutantes dependientes de estreptomicina espontáneos o inducidos mediante radiación ultravioleta, y sugirieron la existencia de un estado transitorio de hipermutabilidad del organismo que permitiría la aparición de mutaciones compensatorias durante las primeras generaciones de las cepas portadoras de una

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Discusión

mutación única. Además, los autores distinguieron entre mutaciones “primarias” y “auxiliares”, en referencia a la aparición de las primeras en algunos alelos con una sola mutación de dependencia de estreptomicina, mientras que las segundas fueron encontradas como mutaciones acompañantes de las más antiguas. Sin embargo, el efecto individual de estas mutaciones auxiliares no fue analizado en detalle en estos mutantes de E. coli. Por el contrario, en este trabajo hemos conseguido la separación de las mutaciones en T. thermophilus mediante transformación con fragmentos de rpsL1. Así, hemos podido observar que cada una de las mutaciones de forma individual confiere un fenotipo de dependencia de estreptomicina, aunque ambas requieren concentraciones mayores de estreptomicina que el mutante doble para su crecimiento (Fig. 22). Usando este criterio no podemos determinar cual de las dos mutaciones podría ser considerada como “primaria”. Sin embargo, la comparación con la proteína S12 de E. coli favorece al reemplazo K47R como mutación primaria, ya que la posición K43 de la proteína S12 de E. coli, equivalente a K47 en T. thermophilus, es un blanco frecuente para mutaciones dependientes de estreptomicina (K43E en E. coli), mientras que el residuo R53 de E. coli, correspondiente a K57 en T. thermophilus, ha sido descrito como blanco para diferentes mutaciones auxiliares (R53S, R53C y R53L en E. coli) con respecto a la mutación dependiente de estreptomicina primaria P90L en E. coli (Timms y Bridges, 1993). Estos datos indican que el alelo rpsL1 fue seleccionado mediante la incorporación de una mutación compensatoria (K57E) durante los primeros ciclos de división celular de un mutante K47R. Las razones estructurales de por qué estas mutaciones, y especialmente K57E, confieren un fenotipo de dependencia a estreptomicina, son difíciles de definir debido al gran número de interacciones implicadas. Existen indicios (Blas-Galindo y cols., 2007, Material Suplementario) de un desplazamiento global de los residuos 1490 a 1493 del rRNA 16S cercanos al sitio de unión de estreptomicina, detectados por comparaciones de los ángulos dihédricos entre las estructuras “abierta”, “cerrada” y unidas a estreptomicina de la subunidad ribosómica 30S de T. thermophilus, que apoyan la idea de que la estreptomicina fija la estructura de la subunidad en una conformación similar a la “cerrada”. Las mutaciones K47R y K57E afectan independientemente a las cargas electrostáticas y a la conformación estérica de esta región (Fig. 23), desplazando el rRNA 16S de forma que resulta difícil formar una conformación “cerrada” funcional (Fig. 23). En este escenario la presencia de estreptomicina podría compensar este efecto parcialmente al actuar como una especie de chaperona química, permitiendo a la estructura recuperar su capacidad de acomodar los cambios conformacionales requeridos para ser funcional.

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Discusión

Uno de los resultados más sorprendentes y afortunados que obtuvimos al analizar rpsL1 es el descubrimiento de su carácter dominante sobre el gen rpsL silvestre cuando ambos están presentes en la célula. Vimos este carácter dominante cuando expresamos el alelo rpsL1 como una única copia en el cromosoma tras la integración tanto del plásmido integrativo pS18a o su derivado pS18ΔnarC. En el primer caso, el alelo rpsL1 fue expresado como parte de su operón natural (“cis” en Fig. 27c) en todas las colonias analizadas. Por otro lado, los plásmidos pS18ΔnarC y pMS18 también confieren un fenotipo de dependencia de estreptomicina, a pesar de la presencia del gen silvestre rpsL expresado en “cis” desde su operón. En consecuencia, la única explicación a estos resultados es que el alelo rpsL1 produce un fenotipo de dependencia de estreptomicina dominante, independientemente de ser expresado en monocopia como parte del operón (pS18a) o desde otro locus en el cromosoma (pS18ΔnarC), o en multicopia desde un plásmido (pMS18). Aún no alcanzamos a entender la razón de esta dominancia. De hecho, sería esperable que la presencia de mezclas de ribosomas mutantes y silvestres en una cepa conteniendo los alelos rpsL y rpsL1 la capacitara para crecer tanto con como sin estreptomicina. Como este no es el caso, el fenotipo de dependencia de estreptomicina tiene que estar necesariamente relacionado con algún tipo de interferencia durante la síntesis de los ribosomas silvestres en presencia de la proteína mutante S12 (K47R/K57E). El alelo rpsL1 ha sido probado con éxito como un marcador de selección positivo alternativo al gen kat para la construcción de plásmidos, lo que ha permitido la expresión de genes en fondos genéticos sensibles y resistentes a kanamicina. En ambos casos, la expresión de los genes de selección en copia única empleando derivados de pS18a fue posible en el 70-80 % de las colonias transformantes dependientes de estreptomicina. El que el porcentaje no alcanzara el 100 % era algo esperado debido a la posible integración del plásmido en el cromosoma a través de regiones parcialmente homólogas a los genes clonados, que podría resultar en genes no funcionales, o por eventos de doble recombinación que podrían resultar en el reemplazamiento del gen rpsL por su alelo rpsL1, con la consiguiente escisión del plásmido. Por contra, el éxito en la complementación fue cercano al 100 % en las colonias transformadas

con derivados del plásmido replicativo, que no necesita

recombinar en el cromosoma para ser mantenido en la célula. En conclusión, los plásmidos basados en rpsL1 constituyen una nueva herramienta genética para T.

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Discusión

thermophilus, útil tanto para la expresión de genes heterólogos como para la complementación de cepas resistentes a kanamicina. Aprovechando su carácter dominante, la aplicación más prometedora del alelo rpsL1 se basa en su fácil contraselección en un medio de cultivo libre de estreptomicina. Esto nos ha permitido desarrollar un método rápido y directo para el aislamiento de mutantes de deleción de un gen blanco en un único paso. Este proceso ha sido aplicado en el aislamiento de mutantes ΔnarC para compararlo con el procedimiento descrito por Tamakoshi (Tamakoshi y cols., 1999), que utilizamos previamente con el mismo objetivo (Olga Zafra, Tesis Doctoral). Este método requiere la producción de un mutante ΔpyrE (Ura-) de la cepa parental previamente a la selección de inserciones gen::pyrE en medios de cultivo sin uracilo. En un paso ulterior, se transforma con un DNA Δblanco y se selecciona con ácido fluororótico para contraseleccionar la presencia del gen pyrE y generar el mutante Δblanco sin marcador. Éste puede volver a ser empleado para la obtención posterior de mutantes dobles, triples, etc., repitiendo el ciclo las veces necesarias. El método que proponemos es mucho más rápido y simple, puesto que solo es necesario un único plásmido con la construcción requerida y placas de medio rico con y sin estreptomicina.

Localización de estructuras mediante sGFP La sGFP es un mutante seleccionado en E. coli por su mayor capacidad para plegar correctamente respecto al parental frGFP, cuando estaba fusionada al dominio C-terminal de una subunidad de ferritina de difícil plegamiento (Pédelacq y cols., 2006). Estudios in vitro revelaron que sGFP era capaz de plegar a concentraciones de urea mayores que las toleradas por la proteína parental, lo cual apoyaba la idea de una mayor termoestabilidad. Sin embargo, la capacidad de sGFP de plegar a altas temperaturas, esto es, su “termoactividad” no pudo ser demostrada. Éste fue uno de los puntos que tratamos de analizar, expresando sGFP a 70ºC en un hospedador modelo termófilo seguido de una fijación in vivo con formaldehído a alta temperatura para atrapar el estado de plegamiento alcanzado por la proteína a esa temperatura. Los resultados de nuestros experimentos apoyan que sGFP se auto-oxida y cicla para alcanzar su estado fluorescente (Remington, 2006) cuando es expresada a 70º C, lo que refuerza su carácter termoactivo además de termoestable.

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Discusión

Debido a las propiedades termoestables y termoactivas exhibidas por sGFP, pensamos que esta proteína podría servir como una herramienta de localización en termófilos. Por tanto, desarrollamos un vector lanzadera E. coli-T. thermophilus para la expresión controlada de las proteínas de interés fusionadas con sGFP en ambos organismos, dado que contenía promotores específicos de cada organismo. Para la expresión de las proteínas de fusión en E. coli utilizamos el promotor lacZp, el cual o no es reconocido o lo es de forma muy limitada por la maquinaria de transcripción de T. thermophilus in vivo. Por otro lado, el promotor Pnqo no es reconocido en E. coli. De esta manera es posible controlar los niveles de expresión de las proteínas fusión con sGFP en ambas bacterias. Por ejemplo, la expresión de la fusión periplásmica PhoAsGFP (Fig. 36) no puede ser llevada a cabo a una actividad plena del promotor Pnqo para impedir la saturación del compartimento, y por tanto requiere de condiciones de crecimiento en microaerofilia con nitrato, que limitan la transcripción de Pnqo (Cava y cols., 2007). La translocación de PhoA-sGFP al periplasma de T. thermophilus merece atención especial. Trabajos previos con la proteína PhoA revelaron que la secreción a periplasma en E. coli era TAT-(“twin arginine transporter”) dependiente (Angelini y cols., 2001); en T. thermophilus se vio su secreción al espacio periplásmico en mutantes formadores de cuerpos multicelulares (Castán y cols., 2002), pero la vía por la cual esta proteína cruzaba la membrana en T. thermophilus no era conocida. Como el sistema sec-dependiente es incapaz de translocar proteínas plegadas, y el sistema TAT parece permitir sólo el tránsito de proteínas correctamente plegadas* (DeLisa y cols., 2003; Lee y cols., 2006), nuestros datos sugieren que la secreción de PhoAsGFP al periplasma debe ser debida al sistema TAT en T. thermophilus. Además, la eficiencia de la secreción de PhoA-sGFP al periplasma (Fig. 37) sugiere que el plegamiento de GFP es relativamente rápido tras su síntesis en el citoplasma a 70º C para que el transportador TAT pueda mover la fusión completa a través de la membrana.

* Esta propiedad ha sido utilizada como herramienta para seleccionar variantes de proteínas con una capacidad de plegamiento y solubilidad incrementada (Fisher y cols., 2006), e incluso para hacer un sistema bacteriano de doble híbrido (Strauch y Georgiou, 2007) utilizando la propiedad de “autoestopista” (“hitch-hiker”) de los complejos de proteínas transportados mediante sistema TAT (Rodrigue y cols., 1999).

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Discusión

Selección de mutantes termoestables El incremento de la estabilidad de las proteínas termófilas no puede ser atribuido a un único determinante común, sino al efecto aditivo de un número mayor de las interacciones habituales entre los aminoácidos: interacciones hidrofóbicas, enlaces iónicos, puentes de hidrógenos y puentes disulfuro (Nosoh y Sekiguchi, 1990; Kumar y Nussinov, 2001). Generalmente, las proteínas termófilas presentan respecto a las mesófilas un conjunto de sustituciones aminoacídicas con efectos aditivos en su estabilidad que las convierten en una estructura mucho más compacta y rígida, lo cual disminuye la desnaturalización térmica (Karshikoff y Ladenstein, 2001). Sin embargo, no es fácil predecir qué cambios hay que hacer en una proteína para convertirla en termoestable, incluso conociendo la estructura 3D. En el último capítulo de este trabajo describimos un sistema de selección de variantes termoestables, en principio de cualquier proteína, empleando T. thermophilus como hospedador. El sistema parte de la premisa de que las proteínas mutantes termoestables deben plegar mejor a temperaturas elevadas que su parental mesófila, y utiliza el principio de “interferencia de plegamiento” sobre una proteína testigo que confiere resistencia termoestable a kanamicina. En el vector desarrollado (pNCK) puede clonarse de forma dirigida el gen codificante de una proteína de interés, generando una fusión N-terminal a la kanamicina nucleotidil transferasa. Dicha fusión es expresada desde el promotor PslpA, garantizando un nivel elevado de expresión, de forma que los mutantes más estables provocan un nivel de resistencia a kanamicina mayor, dando lugar a clones resistentes al antibiótico. En el caso del ejemplo que hemos empleado para desarrollar el método, el Interferón Gamma humano, ya se disponía de datos bibliográficos anteriores donde se describían algunas mutaciones termoestables, lo que nos permitió ensayar la viabilidad de nuestro planteamiento. De hecho, los mutantes Δ10 y M4 fusionados al gen kat ofrecieron unos niveles de resistencia a kanamicina mayores que la forma silvestre tanto a 60 como a 70º C. Tras el proceso de selección sobre una genoteca muy amplia, obtuvimos una serie de sustituciones de aminoácidos que en muchos casos se repetían, indicando la fiabilidad del proceso. No obstante, y tal vez como se esperaba del carácter independiente de actividad del sistema, muchas de las sustituciones aisladas no presentaban actividad biológica tras ser expresadas en células eucarióticas. De hecho,

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Discusión

solo 7 mutaciones demostraron ser realmente activas y estables. En la Figura 44 se muestra el análisis de la estabilidad de dos de ellas realizados por la empresa Biométhodes. Es interesante destacar que el nivel de estabilidad pudo ser comparado de forma coherente con el de estabilidad frente a desnaturalización por urea en los ensayos de “pulso proteolítico” (Fig. 42), confirmando la relación entre las mutaciones seleccionadas y una mayor rigidez estructural.

A Actividad residual de IFN-γ (%)

120 100 80 60 40 20 0

IFNγ WT IFNγ F159C IFNγ M100N

0

5

10

15

20

25

30

35

Tiempo de incubación a 60°C (min)

Figura 44: Actividad residual de mutantes de IFN-γ. La gráfica muestra la cinética de termo-resistencia a 60º C de dos mutantes termoestables de IFN-γ. Los datos están expresados en unidades relativas de luz (RLUs). La actividad residual está expresada como un porcentaje de la actividad total en ausencia del paso de desnaturalización. Ninguno de los mutantes muestra más de un 10 % de diferencia de actividad específica cuando se comparan con la proteína silvestre.

Por otra parte, la generalización del sistema fue confirmada en trabajos de la empresa Biométhodes posteriores a éste, en el que estabilizaron con éxito otras proteínas. Por un lado han obtenido 21 mutantes termoestables de IFN-α humano y 18 variantes termoestables de IFN-β humano. Por otro lado, la técnica ha sido probada también con enzimas, obteniéndose mutantes termoestables y termoactivos de la lipasa A de B. subtilis (LipA, 20 kDa) y de la formiato deshidrogenasa (Fdh, 45kDa) de Pseudomonas sp.101 (Chautard y cols., 2007). Estos resultados muestran que, además de para seleccionar formas termoestables, el método sirve para seleccionar formas termoactivas, abriendo un enorme campo para su aplicación generalizada. La comparación de este método con otras técnicas de selección de formas termoestables independientes de actividad es bastante favorable. Por ejemplo, la técnica Proside (“protein stability increased by directed evolution”) (Sieber y cols., 1998) vincula la resistencia a proteasas de las variantes estables de una proteína con la infectividad de un fago filamentoso, pero tiene limitaciones respecto al tamaño de la proteína a seleccionar (<110 aminoácidos); otros sistemas, como “yeast display” (Richman y cols.,

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Discusión

2006), de expresión en levaduras, pueden aplicarse para la selección de mutantes termoestables de proteínas de mayor tamaño que Proside, pero requieren anticuerpos específicos que no siempre están disponibles para la proteína de interés. En nuestra técnica la limitación por tamaño aún no está definida, pero se ha aplicado con éxito a proteínas de 45 kDa y es más sencilla y barata que la técnica de “yeast display”. Por otra parte, la desventaja mayor del nuevo procedimiento es que hay que realizar una selección final o comprobación de la actividad, dado que se selecciona plegamiento y no actividad. A pesar de esto, el porcentaje de los mutantes activos entre los termoestables seleccionados es lo suficientemente alto como para que no sea un proceso tedioso encontrar una proteína mutante activa: en el caso del IFN-γ, fueron identificadas y clonadas 50 mutaciones simples de entre los 31 clones seleccionados. 7 de los clones con mutaciones simples mantienen más de un 50 % de actividad, lo que supone un 14 % del total; estos porcentajes son superiores en los ensayos realizados con IFN-α (22 %) e IFN-β (37 %). Otra ventaja del sistema es la posibilidad de seleccionar mutantes de proteínas con puentes disulfuro en el interior celular, dado que como ha sido descrito recientemente (Beebey y cols., 2005) y como hemos comprobado con el mutante M4 (E30C/S92C), es posible formar puentes disulfuro en el citoplasma de T. thermophilus. Esto resulta contradictorio con el punto de vista clásico, que indica que los puentes disulfuro estructurales estaban presentes exclusivamente en el medio extracelular y en proteínas compartimentalizadas, ya se consideraba que el ambiente reductor del citosol evitaba la formación de enlaces disulfuro estables (Fahey y cols., 1977; Branden y Tooze, 1991). La habilidad de los organismos termófilos para formar enlaces disulfuro es una propiedad muy interesante, ya que permite el plegamiento y correcta selección de proteínas que contengan este tipo de enlaces. En los ensayos realizados para validar nuestro método de termoselección hemos podido seleccionar el mutante de IFN-γ E30C/S92C (al que denominamos M4), así como el IFN-α e IFN-β (que contienen puentes disulfuro). En conjunto, estos datos apoyan la idea de que este nuevo método de termoselección de proteínas utilizando a T. thermophilus como hospedador, permite un aumento

considerable

en

el

número

de

proteínas

susceptibles

de

ser

termoestabilizadas. Además, no requiere un conocimiento previo de la estructura de la proteína, como puede verse tomando como ejemplo al IFN-γ humano, la proteína que tomamos como modelo. De las 7 mutaciones activas y termoestables seleccionadas (C21W, W59F, M100N, M140P, F159C, R162E, R163T), solo 3 se encuentran en la estructura cristalina resuelta del IFN-γ: de los 166 aminoácidos de la proteína, se conoce la estructura desde el aminoácido 24 al 149. Es interesante el hecho de que

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Discusión

aproximadamente el 40 % de todas las mutaciones seleccionadas se encuentran en las regiones no resueltas de la estructura (correspondiente al 24 % de la secuencia de la proteína) (Fig. 45). Otro punto interesante es ver que la mayor parte de las mutaciones seleccionadas en el IFN-γ se encuentran agrupadas en zonas muy concretas, por ejemplo encontramos 15 mutaciones en la primera selección entre los aminoácidos C21 y P26, o 6 mutaciones entre los aminoácidos R162 y S165. Quizá estas mutaciones ayudan en la termoestabilidad de la proteína al aumentar la rigidez de estas zonas flexibles, y por tanto de la estructura. En todo caso, resulta evidente que ninguna de ellas podría haber sido prevista mediante el estudio estructural.

MKYTSYILAFQLCIVLGSLGCYCQDPYVKEAENLKKYFNAGHSDVADNGT LFLGILKNWKEESDRKIMQSQIVSFYFKLFKNFKDDQSIQKSVETIKEDMN VKFFNSNKKKRDDFEKLTNYSVTDLNVQRKAIHELIQVMAELSPAAKTGK RKRSQMLFRGRRASQ Figura 45: Secuencia de aminoácidos del IFN γ humano. La secuencia subrayada corresponde a la parte de la proteína cuya estructura es conocida (desde Q24 a T149). En color se marcan el número de mutaciones encontradas tras la primera selección en cada posición: rosa (1 mutación), naranja (2), verde (3), azul (4+).

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CONCLUSIONES

Conclusiones

De la realización del presente trabajo de Tesis Doctoral se han extraído las siguientes conclusiones:

1. Se han desarrollado vectores que confieren resistencia termoestable a higromicina en Thermus thermophilus. Dichos vectores son seleccionables en fondos genéticos resistentes a kanamicina y pueden ser empleados para la expresión de proteínas y para complementación de mutaciones, y para el ensayo de promotores, empleando en este caso los genes testigo bgaA o bgl.

2. Se ha aislado el alelo rpsL1, codificante de una proteína S12 con las mutaciones K47R y K57E, cuya expresión confiere a Thermus thermophilus un fenotipo dominante de dependencia de estreptomicina.

3. Las mutaciones K47R y K57E han sido separadas y producen de manera individual dependencia de estreptomicina. Nuestros datos de velocidad de crecimiento indican que la mutación K47R precedió a la K57E.

4. Existen indicios basados en el modelado molecular de la subunidad 30S de que las mutaciones de la proteína S12 provocan un bloqueo de la estructura en su forma cerrada siendo necesaria la inserción de la estreptomicina como una especie de chaperona química que compensa parcialmente este efecto, permitiendo la formación de la estructura abierta.

5. El alelo rpsL1 puede ser utilizado como marcador de selección positiva en vectores suicidas y replicativos.

6. Se ha desarrollado un protocolo de deleción dirigida de genes sin dejar huella genética aprovechando el carácter dominante del gen rpsL1 como elemento de selección negativa en ausencia de estreptomicina.

7. La variante termoestable sGFP puede ser expresada en forma activa a 70º C en Thermus thermophilus, siendo el primer marcador de localización disponible para bacterias termófilas. Su unión a PhoA permite la secreción en forma activa al periplasma de Thermus thermophilus.

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Conclusiones

8. Se ha desarrollado un sistema universal de selección de mutantes termoestables de cualquier proteína basado en la interferencia de plegamiento producida por éstas al ser expresadas como dominio N-terminal fusionado a la kanamicina nucleotidil transferasa. El sistema es capaz de seleccionar sobre genotecas de gran tamaño y ha sido probado con proteínas de hasta 45 kDa y con puentes disulfuro.

9. Han sido identificadas mutaciones termoestabilizantes en el Interferón Gamma humano, muchas de las cuales se encuentran en regiones de la proteína no cristalizadas por lo que no podrían haber sido deducidas mediante ingeniería de proteínas.

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BIBLIOGRAFÍA

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ANEXO

Anexo

SECUENCIA DE AMINOÁCIDOS DEL GEN hph5

Secuencia de aminoácidos del gen hph5. En color rojo se indican los aminoácidos sustituidos en el gen hph5 respecto al gen silvestre (los aminoácidos originales también se muestran).

SECUENCIA DE pNCK

Se muestra la secuencia de unión (azul) y el gen kat (rojo).

Los resultados obtenidos durante el desarrollo de esta Tesis Doctoral forman parte de las siguientes publicaciones:

Blas-Galindo, E., Cava, F., López-Viñas, E., Mendieta, J., and Berenguer, J. (2007) Use of a dominant rpsL allele conferring streptomycin dependence for positive and negative selection in Thermus thermophilus. Appl Environ Microbiol 73(16):5138-5145.

Cava, F., Laptenko, O., Borukhov, S., Chahlafi, Z., Blas-Galindo, E., Gómez-Puertas, P., and Berenguer, J. (2007) Control of the respiratory metabolism of Thermus thermophilus by the nitrate respiration conjugative element NCE. Mol Microbiol 64(3):630-46.

Chautard, H., Blas-Galindo, E., Menguy, T., Grand'Moursel, L., Cava, F., Berenguer, J., and Delcourt, M. (2007) An activity-independent selection system of thermostable protein variants.. Nat Methods 4(11):919-921.

Cava, F., de Pedro, M.A., Blas-Galindo, E., Waldo, G.S., Westblade, L.F., and Berenguer, J. (2007) Expression and use of superfolder green fluorescent protein at high temperatures in vivo: a tool to study extreme thermophile biology. Enviromen Microbiol Aceptado y pendiente de publicación.

APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, Aug. 2007, p. 5138–5145 0099-2240/07/$08.00⫹0 doi:10.1128/AEM.00751-07 Copyright © 2007, American Society for Microbiology. All Rights Reserved.

Vol. 73, No. 16

Use of a Dominant rpsL Allele Conferring Streptomycin Dependence for Positive and Negative Selection in Thermus thermophilus䌤† Emilio Blas-Galindo, Felipe Cava, Eduardo Lo ´pez-Vin ˜as, Jesu ´s Mendieta, and Jose´ Berenguer* Centro de Biologia Molecular Severo Ochoa, CSIC-UAM, Campus de Cantoblanco, 28049 Madrid, Spain Received 30 March 2007/Accepted 19 June 2007

A spontaneous rpsL mutant of Thermus thermophilus was isolated in a search for new selection markers for this organism. This new allele, named rpsL1, encodes a K47R/K57E double mutant S12 ribosomal protein that confers a streptomycin-dependent (SD) phenotype to T. thermophilus. Models built on the available threedimensional structures of the 30S ribosomal subunit revealed that the K47R mutation directly affects the streptomycin binding site on S12, whereas the K57E does not apparently affect this binding site. Either of the two mutations conferred the SD phenotype individually. The presence of the rpsL1 allele, either as a single copy inserted into the chromosome as part of suicide plasmids or in multicopy as replicative plasmids, produced a dominant SD phenotype despite the presence of a wild-type rpsL gene in a host strain. This dominant character allowed us to use the rpsL1 allele not only for positive selection of plasmids to complement a kanamycinresistant mutant strain, but also more specifically for the isolation of deletion mutants through a single step of negative selection on streptomycin-free growth medium. mation with the appropriate construct. Then, counterselection of this pyrE with 5-fluoroorotic acid as antimetabolite permits the subsequent isolation of ⌬target gene ⌬pyrE double mutants that can be subjected again to further selection. More recently, a “pop-in/pop-out” method based on a suicide plasmid conferring Kan resistance (pK18) was used to isolate ⌬greA ⌬gfh1 double mutants of T. thermophilus (15). In this method, the insertion of the plasmid on the target by recombination is selected by Kan, and a further manual screening among thousands of colonies for spontaneous back recombinants allows the selection of the desired deletion mutant. Thus, although the first step of this pK18-based method is straightforward and can be applied to wild-type strains, the subsequent screening for antibiotic-sensitive clones requires a great deal of time and manual work. With this in mind, we hypothesized that a gene that could confer simultaneous resistance to and dependence on an antibiotic (e.g., streptomycin [Str]) could be used in a similar protocol to select the insertion and the excision of a target gene in the presence or the absence of the antibiotic, respectively, without the requirement of any tedious manual screening. Str inhibits bacterial protein synthesis through binding to multiple structural elements of the 30S ribosomal subunit, including the S12 protein and the 16S rRNA helices 1, 18, 27, and 44 (1). Although Str-resistant (SR) and Str-dependent (SD) mutants of E. coli have been known for a long time, the molecular details of the interaction of the antibiotic with its binding site in the bacterial ribosome have been described only recently after the resolution of Str-30S complexes of T. thermophilus (1). Most SR and SD mutants of different bacterial groups, including T. thermophilus (8), present amino acid substitutions in their S12 ribosomal protein, which in E. coli is encoded by the rpsL gene. Therefore, we hypothesized that it could be possible to isolate SD alleles of the rpsL gene of T. thermophilus that could fulfill our requirements for a selectable and counterselectable gene marker. In fact, SR and SD alleles of the rpsL gene of T. thermophilus have been described previously (8), and DNA from SR strains of T. thermophilus are

Extreme thermophiles constitute models of great biological interest because of their ancestral origin, the applicability of their enzymes, and the ability of thermostable enzymes and macromolecular complexes to crystallize better than their mesophilic counterparts (18, 30, 34, 35). However, very few extreme thermophiles are presently suitable as laboratory study models due to intrinsic growth difficulties and a general absence of genetic tools required for genetic manipulations. Thermus thermophilus represents an exception to this rule because of (i) its ability to grow under laboratory conditions with good yields, (ii) its aerobic or facultative mode of growth, and (iii) its constitutive expression of an efficient natural competence system (7, 14). Such properties have recently allowed the development of numerous tools and methods to manipulate this bacterium at the levels comparable to those available for most mesophilic bacteria (5, 16, 17, 19, 22) yet far from those currently available for Escherichia coli. One of the breakthroughs in the field of genetic analysis of Thermus thermophilus was provided by a method of isolation of knockout mutants based on insertion of a gene cassette (kat) encoding a thermostable kanamycin (Kan) nucleotidyltransferase (16). However, in spite of being a rapid method for the isolation of directed knockout mutants, the insertion of the kat cassette blocks further selection procedures based on this marker. Two alternative methods for the selection of markerfree deletion mutants have been published. The multistep method of Tamakoshi et al. (32) requires the isolation of a pyrE (encoding orotate phosphoribosyltransferase) uracil auxotroph as the parental strain and uses complementation to select for a ⌬target gene::pyrE insertion mutant after transfor* Corresponding author. Mailing address: Centro de Biologia Molecular Severo Ochoa, CSIC-UAM, Campus de Cantoblanco, 28049 Madrid, Spain. Phone: 34 91 4978099. Fax: 34 91 4978087. E-mail: [email protected]. † Supplemental material for this article may be found at http://aem .asm.org/. 䌤 Published ahead of print on 29 June 2007. 5138

DOMINANT rpsL SELECTION MARKER IN THERMUS SPP.

VOL. 73, 2007

routinely used for the functional analysis of the natural competence system of this organism in Kan-resistant genetic backgrounds (7), thus ing the feasibility of this hypothesis. Here we describe the isolation of an rpsL allele (rpsL1) encoding a double mutant S12 protein that confers an unexpectedly dominant SD phenotype in T. thermophilus. We show that this allele can be used as a positive selection marker for suicide and replicative plasmids alternative to and compatible with the widely used Kan resistance gene (kat) and also as a negative selection marker for the isolation of marker-free deletion mutants of T. thermophilus in a single-step procedure. The likely molecular details of this dominant SD phenotype are also discussed based on the models of the described structures of the T. thermophilus ribosome (1, 23).

MATERIALS AND METHODS Strains, growth conditions, and transformation. T. thermophilus HB27 was a generous gift of Y. Koyama. The strain T. thermophilus HB27c is a facultative anaerobe obtained by transfer of the nitrate conjugative element (3) to the HB27 strain (27). Insertional narC::kat (39), phoA::kat (21), and greA::kat (15) mutants are derivatives of the HB27c strain in which the corresponding genes were knocked out by insertion of a gene (kat) coding for a thermostable resistance to Kan (16). The E. coli strain DH5␣ (supE44 ⌬lacU169 ␾80 lacZ⌬M15 hsdR17 recA1 endA1 gyrA96 thi-1 relA1) (10) was used for genetic constructions. E. coli and T. thermophilus were grown in LB at 37°C and in Thermus broth (TB) (25) at 70°C, respectively. Transformation of T. thermophilus was achieved by natural competence on growing cells (5, 13), whereas standard protocols were used to transform E. coli (10). Selection was carried out on 1.5% (wt/vol) agar plates with Str (different concentrations), Kan (30 mg/liter), and/or ampicillin (Amp; 100 mg/liter). Isolation and cloning of the rpsL1 gene. Identical amounts of total DNA preparations from individual colonies of spontaneous mutants of T. thermophilus that grew on TB plates with Str (100 mg/liter) were used to transform competent cultures of the wild-type strain. Total DNA preparations of individual colonies that rendered the highest number of transformants on plates with Str (100 mg/liter) were used as templates for the amplification by PCR of a 759-bp DNA fragment containing sequences from positions ⫺294 to ⫹445 with respect to the GTG start codon of the rpsL gene (T. thermophilus HB27 genome code TTC1333) (11). Primers O-str1 (5⬘-AAAACATATGTCCAGGCCCTCCA-3⬘) and O-str2 (5⬘-AAAACATATGACGGACCTCTGCT-3⬘), each containing an NdeI site (underlined), were used for this amplification. Identical amounts of the PCR products were used to transform T. thermophilus HB27, and transformants that produced the highest number of colonies on plates with Str were selected for further studies. The comparison of the sequence of this allele (rpsL1 thereafter) with that of the wild type revealed two A-to-G transitions (positions ⫹140 and ⫹169) that produced the amino acid replacements K47R and K57E. To analyze the individual role of each amino acid substitution, a 470-bp 5⬘-end fragment (positions ⫺294 to ⫹166) and a 312-bp 3⬘-end fragment (⫹143 to ⫹445) of rpsL1 were amplified with primer pairs O-str1/O-str6 (5⬘-CCACCTTACGGAGCGC CGAGTTGG-3⬘) and O-str5 (5⬘-CCAACTCGGCGCTCCGTAAGGTGG-3⬘) and O-str2, respectively, and the corresponding PCR products were used to transform the wild-type strain. The colonies that grew on TB plates with Str (100 mg/liter) were analyzed for the presence of each mutation by sequencing the whole rpsL gene once amplified by PCR with primers O-str1 and O-str2. Plasmid construction. DNA isolation, plasmid construction, and restriction analysis were performed as described elsewhere (28). Amplification of the rpsL gene was carried out by PCR with Tth or Pfu DNA polymerases (BIOTOOLS B & M, Madrid, Spain) and primers O-str1 and O-str2. The insertion of this PCR fragment at the NdeI site of plasmid pUC18 rendered the pS18a and pS18b constructs that differ only in the orientation of the rpsL1 gene (see map in Fig. 2A). The presence of the suicide plasmids in the chromosome of transformed cells of T. thermophilus was detected by PCR with primer pairs Ostr1/M13reverse (5⬘-GAAACAGCTATGACCATG-3⬘), Ostr1/Ostr8 (5⬘-GATGAAGGCCGTG ACCAG-3⬘), and O-132pUC (5⬘-GGGGCTGGCTTAACTATG-3⬘)/Ostr8. Plasmid pMS18 is a derivative of pS18a that carries a replicative origin functional in Thermus spp. (6). For its construction, the pMK18 replicon was amplified by PCR with primers O-repNde2d (5⬘-CTGTTCATATGCCTCAGTTGA3⬘) and O-repNder (5⬘-GGGACCATATGCCCCTGGA-3⬘), both containing

5139

NdeI sites (underlined), and ligated into pS18a (see map in Fig. 2A). The bgaA and phoA genes encode a thermostable beta-galactosidase (␤gal) (14) and a hyperalkaline phosphatase (2, 21), respectively. The narC and gfh1 genes encode a periplasmic cytochrome c that constitutes the fourth subunit of the respiratory nitrate reductase (40) and the transcripition elongation factor Gfh1 (15) of T. thermophilus, respectively. Derivatives of pS18a and/or pMS18 carrying the narC, bgaA (22), and phoA (22) genes under the control of the nitrate reductase promoter (narp) (22) were obtained by cloning the respective genes between the XbaI and HindIII restriction sites of the plasmids. Derivatives of pS18a and pMS18 containing the gfh1 gene under the control of its own promoter (15) were obtained by cloning the gene between the restriction sites EcoRI and SalI of both plasmids. Induction of narp and complementation assays. Cells were grown at 70°C in TB under aerobic conditions in a rotational shaker bath (150 rpm), and transcription from the nitrate reductase operon promoter (narp) was activated by addition of KNO3 (40 mM) and the simultaneous arrest of the shaker. Under such static growth conditions, the low solubility of O2 at 70°C and its rapid consumption by the cells make the culture anoxic in a very short time (4, 22). Cells were incubated for 4 h at 70°C in such static conditions before being processed. The presence of the kat gene inserted into its target in the complementation experiments was confirmed by PCR with primer pairs FPPnarDIR (5⬘-CTGGACCAGGTGGGCGCA-3⬘) and KAT4 (5⬘-AGAAATTCTCTAGCG AT-3⬘) for the narC::kat mutant and O-AP1 (5⬘-CTACGTCACCGAGTCCA-3⬘) and KAT4 for the phoA::kat mutant. The BgaA activity of soluble cell extracts of the T. thermophilus cultures was assayed at 70°C with o-nitrophenyl-␤-D-galactopyranoside as chromogenic substrate by following previously described methods (22). The periplasmic hyperalkaline phosphatase (PhoA) of similar soluble cell extracts was measured with p-nitrophenyl-phosphate as described previously (22). The activity of the nitrate reductase was detected by the production of nitrite per min and mg of protein (31). Detection of Gfh1 on complete cell extracts from exponential cultures of T. thermophilus was carried out by Western blotting with specific rabbit antiserum as described previously (15). Isolation of deletion mutants. Plasmid pS18⌬narC is a derivative of pS18a carrying upstream and downstream DNA regions of the narC gene (38) that was used to transform the wild-type strain. A group (around 50) of small-sized transformant colonies that grew on TB plates with Str (100 mg/liter) were coinoculated in 10 ml of TB medium and incubated for 2 h at 70°C before 50-␮l aliquots of the concentrated and the 10⫺1 dilution of the cell suspension were plated onto TB plates without Str. As the rpsL1 allele confers a dominant SD phenotype, only those colonies in which this allele was deleted by back recombination could grow on these plates. The Str-sensitive clones were then assayed for the loss of nitrate reductase activity and further analyzed for the absence of the narC target gene by PCR with primers FPPnarDIR and O27-32 (5⬘-CCCA GCTCGCCCGGCGG-3⬘). Bioinformatic analysis. Crystal structures of the S12 wild-type protein and their 16S rRNA chain-ing residues were obtained from the crystallographic structures of the ribosomal 30S subunit for comparative geometrical analysis. Calculation of the variation of the dihedral angles of the 16S rRNA phosphates trace and the S12 protein C␣ atoms backbone were performed with the open (Protein Data Bank entry 1J5E) (37), closed tRNA/mRNA-bound (Protein Data Bank entry 1N32) (23), and Str-bound (Protein Data Bank entry 1FJG) (1) forms as described previously (20). Dihedral angles and root mean square deviation values between structures were calculated using the Insight II package. Plots and statistics of the three pairwise comparisons were made with SigmaPlot. Building of three-dimensional structures for K47R and K57E mutants of S12 protein was performed using standard homology-based modeling procedures. Briefly, models were made using the SWISS-MODEL server (9, 24, 29). The structural quality was verified using WHAT-CHECK (12) of the WHAT IF package program (36). In order to perform a first geometry optimization and correct atomic clashes, the energy of the obtained structure was minimized with the implementation of the GROMOS 43B1 force field of the DeepView program (9) using 500 steps of steepest descent minimization and 500 steps of conjugategradient minimization.

RESULTS Isolation and characterization of an rpsL gene allele conferring an SD phenotype. We designed a protocol to isolate a spontaneous rpsL mutant allele (rpsL1 thereafter) able to produce a high number of T. thermophilus colonies on plates with

5140

BLAS-GALINDO ET AL.

FIG. 1. Str dependence of the rpsL1 mutant and its single mutant derivatives. Overnight cultures of the wild-type strain grown on TB and of the rpsL1, K47R, and K57E mutants grown with 100 mg/liter of Str in the same medium were diluted (10⫺5 and 10⫺6) and plated (100 ␮l) on TB plates with increasing Str concentrations. After 48 h at 70°C, the number of colonies that grew in each plate was counted and is represented as the percentage of viable cells with respect to their respective maximum values. The data represent the mean values and the standard deviations of two independent assays. The y-axis minimum value (0.2%) is limited by the sensitivity of the assays.

Str (Materials and Methods). When dilutions of these transformant colonies containing around 500 colonies were plated off, no growth was detected in the absence of Str, whereas colonies were detected on plates containing between 4 and 512 mg/liter of Str, with the maximum at 100 mg/liter and no growth at 1,024 mg/liter (Fig. 1). The parental strain was unable to produce colonies even at the lowest concentration of Str used. We concluded that the rpsL1 allele actually confers an SD phenotype to T. thermophilus. The rpsL1 allele encodes a mutant S12 ribosomal protein with two amino acid substitutions, K47R and K57E (numbers correspond to the T. thermophilus S12 amino acid sequence). Sequence alignments of S12 proteins from other bacteria, including E. coli S12, revealed that K47 (corresponds to K43 in E. coli S12) is a conserved amino acid in all the bacterial S12 sequences analyzed. By contrast, the K57 residue corresponds to an arginine in most of the S12 proteins, including E. coli R53. Single K47R and K57E mutants present SD phenotypes. To examine the individual role of each mutation of the rpsL1 allele in the SD phenotype of T. thermophilus, we took advantage of the highly efficient natural competence system of this organism and transformed the wild-type T. thermophilus strain with identical amounts of two PCR-amplified fragments of the rpsL1 allele, coding for either the K47R or K57E mutation (Materials and Methods). Selection on plates with Str (100 mg/liter) revealed a similar number of transformants with both fragments (not shown), suggesting that each individual mutation confers an SD phenotype. This was further confirmed by sequence analysis of the rpsL gene, which was PCR amplified using genomic DNA derived from a number of colonies from each transformation group. In order to compare the phenotype conferred by each mutation with that of the double mutant, we inoculated identical numbers of cells with each mutation on plates containing increasing concentrations of Str. As shown in Fig. 1, the K47R and the K57E single mutants showed a clear SD phenotype,

APPL. ENVIRON. MICROBIOL.

although they required higher antibiotic concentrations to grow than did the double K47R K57E mutant. In fact, none of the single mutants grew at concentrations of Str lower than 32 mg/liter. The experiments also revealed that the K47R mutant required higher antibiotic concentrations than the K57E mutant to show an efficient growth; at 32 mg/liter, this strain showed only 30% of its maximum number of viable cells, reached at 100 mg/liter, compared to the 70% viability shown by the K57E strain. On the other hand, the individual mutants grew efficiently even at 1,024 mg/liter, a concentration on which the double mutant did not show a detectable growth. We also compared the growth rates of each mutant with that of the wild-type strain in liquid medium. In exponential phase, all mutants grew in TB with Str (100 mg/liter) with longer doubling times (55 to 60 min), whereas the wild-type strain grew with doubling times around 40 min in the absence of the antibiotic. Construction of suicide vectors based on the rpsL1 allele. Following PCR amplification, the rpsL1 allele (including its promoter) was cloned into pUC18, rendering plasmids pS18a and pS18b, each carrying this gene in opposite orientations with respect to the lacZp promoter (Fig. 2A). Both plasmids ensured Amp resistance and had the multicloning site and the ␣-LacZ complementation system of their parental plasmid to facilitate the cloning procedures in E. coli. However, neither the pS18a nor the pS18b plasmid conferred the SR or SD phenotype to E. coli (not shown) as we expected based on the differences in amino acid sequences between the S12 proteins of E. coli and that of T. thermophilus (8). On the other hand, these plasmids could not replicate in Thermus spp. because of the absence of an appropriate replication origin. Thus, the only way to provide any detectable Str-related phenotype in T. thermophilus was through its integration into the chromosome by homologous recombination. In order to analyze if this was the case, identical amounts (200 ng) of each plasmid were used to transform the wild-type strain, and selection was carried out on plates with different concentrations of Str. As shown in Fig. 2B, transformation with pS18a and pS18b allowed the growth on plates with Str (100 mg/liter) of a much higher number of colonies than the number of spontaneous mutants that grew on the untransformed control plates. In all cases, plasmid pS18a rendered more transformed colonies than pS18b. These data suggest that the plasmids were most likely inserted into the chromosome of the receptor strain after transformation and provided the host with the capability of growing on Str. At higher Str concentrations, the number of colonies decreased, while the number of spontaneous mutants remained more or less constant (frequency of around 10⫺6 to 10⫺7), even at the highest concentration assayed in these experiments (600 mg/liter). Moreover, whereas most of the untransformed colonies that grew on the control plates were large (as with the wild-type strain in the absence of the antibiotic), those that grew after transformation with pS18a presented a number of “large” colonies similar in size and number to that grown on the control plates and a much higher number of “small” colonies (not shown). This observation suggests that integration of pS18a into the chromosome produces a slow-growth phenotype similar to that shown by the rpsL1 mutant. In fact, when these two colony types from the pS18a transformation were assayed for their ability to grow in the

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FIG. 2. Suicide and replicative plasmids based on the rpsL1 allele. (A) Structure of suicide (pS18a and pS18b) and replicative (pMS18) plasmids based on the rpsL1 allele. (B) The number of colonies that grew on TB plates containing the indicated concentrations of Str before (filled squares) or after transformation with identical amounts of pS18a (open circles), pS18b (open squares), or pMS18 (filled circles). (C) Two putative results of the integration of pS18a into the rpsL target (white arrows) through recombination with the rpsL1 allele (gray arrows). Approximate positions of the Amp resistance gene (black) and the lacZp (vertical arrows) are indicated. Small arrows represent positions of primers O-str1 (1), M13-rev (2), and O-str8 (3).

absence of Str, most (95%) of the large colonies were SR, a percentage similar to that shown by the large, spontaneous mutant colonies grown on untransformed control plates. By contrast, all the small-sized colonies checked were SD. The results described above ed the idea that the rpsL1 allele was inserted into the chromosome after transformation with pS18a, but they did not allow us to discriminate whether the whole plasmid remained linked to the chromosome after recombination or was further deleted through a back recombination. To distinguish between these two possibilities, PCR amplification assays were carried out on total DNA from 10 small-sized colonies transformed with pS18a. As positive amplification with primers Ostr-1 and M13-reverse (labeled 1 and 2 in Fig. 2C) was detected in all of them, we concluded that the plasmid was still present in the chromo-

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some of all the transformants assayed. Consequently, these colonies had two copies of the rpsL gene, the wild type and its rpsL1 allele (Fig. 2C), leading to the conclusion that in these pS18a-transformed cells, the rpsL1 allele was dominant over its parental wild-type rpsL gene. We subsequently analyzed whether the mutant S12 protein was expressed in these colonies from the rps operon (in “cis”) or from the copy generated after plasmid integration (in “trans”) (Fig. 2C) by sequencing the “cis” copy after PCR amplification with primers labeled 1 and 3 in Fig. 2C and the “trans” copy after PCR amplification with primers labeled 1 and 2. The two mutations corresponding to rpsL1 were identified in the sequence of the “cis” copy of all the colonies analyzed. Interestingly, the cells transformed with pS18a grew with doubling times indistinguishable from that of the rpsL1 mutant. Construction of replicative vectors. To analyze if the rpsL1 allele also was an appropriate selection marker when being expressed in a multicopy plasmid, we inserted the replicative origin of pMK18 (5, 6) into pS18a. As its parental pS18a plasmid, the new construct (pMS18) (Fig. 2A) could be selected in the presence of Amp in E. coli and of Str in T. thermophilus. As expected from its higher copy number per cell, selection of pMS18 on Str rendered 5- to 10-fold more colonies than those obtained by transformation with similar concentrations of its parental pS18a suicide vector (Fig. 2B). Moreover, the transformant colonies were unable to grow on plates without Str. Therefore, the cells transformed with pMS18 are SD, despite the presence of a chromosomal wildtype rpsL copy as revealed by PCR (primers 1 and 3 in Fig. 2C). Thus, the rpsL1 allele was also dominant over its parental wild type, even when expressed from the multicopy plasmid. Accordingly, the growth rate of cells transformed with pMS18 was similar to that of the rpsL1 mutant. We compared the features of two plasmids, pMK18 (5) and pMS18, side by side. The copy numbers of both plasmids were similar, as could be evaluated by the total quantity of each plasmid purified from the same amount of cells transformed with each of them. The stability of pMS18 was also assayed through the analysis of the restriction map from colonies obtained after 30 generations of growth in liquid TB with Str (100 mg/liter): our data show that around 90% of the plasmids preserved the same restriction pattern as the original pMS18, ing that the plasmid was stable enough to be used as a cloning vector. pS18a and pMS18 as cloning vectors. The results described above suggested that plasmids pS18a and pMS18 could be used as integrative (single-copy) and replicative (multicopy) cloning vectors for T. thermophilus, respectively. To check this, the bgaA gene, encoding a thermostable beta-galactosidase, was cloned into both plasmids to render pS18␤gal and pMS18␤gal. As the expression of the cloned bgaA gene was under the control of the promoter from the respiratory nitrate reductase (narp) (22), we used as a host the facultative strain T. thermophilus HB27c that contains the transcription factors required for the expression of this promoter under appropriate conditions (26). In a typical experiment, 18 out of 30 SD colonies transformed with pS18␤gal analyzed showed a beta-galactosidase activity five- to sevenfold higher than that of the basal level of

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untransformed cells (Fig. 3A). By contrast, all the SD colonies transformed with pMS18␤gal that were assayed expressed the thermostable beta-galactosidase up to 15- to 20-fold more than did untransformed cells (Fig. 3A). These findings allowed us to conclude that pS18a and pMS18 indeed can be used in T. thermophilus as single- and multicopy cloning vectors, respectively. Complementation of Kan-resistant mutants of T. thermophilus by pS18a and pMS18 derivatives. As mentioned in the introduction, the use of the kat gene for the isolation of insertion mutants represents the easiest method for the functional analysis of genes in T. thermophilus. However, a complementation experiment with such Kan-resistant mutants indeed is a difficult task. Due to this, we assayed the capability of pS18a and pMS18 to complement three different Kan-resistant insertion mutants of T. thermophilus. For this purpose, the genes encoding a cytochrome c (NarC) that constitutes the fourth subunit of the respiratory nitrate reductase (narC), the hyperalkaline phosphatase (phoA), and the Ghf1 transcription elongation factor (gfh1) of T. thermophilus were cloned into pS18a and pMS18, and the constructs were subsequently used to transform the respective narC::kat, phoA::kat, and ghf1::kat mutants. Selection was done on TB plates with Kan and Str to avoid the replacement of the kat gene from the target. The colonies were further analyzed by PCR for the presence of the kat insertion (Materials and Methods) and for the recovery of the respective wild-type phenotypes (␤gal or PhoA activities or Gfh1 presence). Figure 3B and C show the results of such complementation experiments. As can be observed, complementation of the nitrate reductase with the narC gene was only partial for both plasmids compared to the activity of the wild-type strain, although cells transformed with the pMS18 derivative (pM) reached higher activity than those transformed with the pS18a derivative (pS). As the growth rate of cells transformed with either of these plasmids was much lower than that of the wild type, we assumed that part of the difference in activity with respect to the wild type was due to the growth-dependent lower induction rates in the mutants. By contrast, complementation of the phoA::kat mutant with phoA derivatives of both plasmids resulted in activities similar to that of the wild type (Fig. 3C), most likely because of the early saturation of the secretion machinery that translocates PhoA to periplasm (2). Finally, complementation of the gfh1::kat mutant with the corresponding pS18a derivative allowed the expression of Gfh1 in three out of four colonies checked by Western blotting, although the expression levels were not identical in all of them (Fig. 3D). By contrast, expression from the pMS18gfh derivative produced wild-type levels of proteins in all the colonies assayed (Fig. 3D). In addition, it is worthy to note that complementation of the three mutations with the pS18a derivatives occurs in about 70 to 80% of the SD transformant colonies, whereas 100% of the colonies showed the expected complementation when transformed with the pMS18 derivatives. One-step selection of deletion mutants with pS18a. Taking advantage of the dominant SD phenotype conferred by the rpsL1 allele in plasmid pS18a, we hypothesized that this property could be useful for development of a rapid method for the positive selection of deletion mutants of a target gene. In the

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FIG. 3. Applications of pS18a and pMS18 on Kan-sensitive and -resistant strains. (A) Expression of BgaA. Shown is the beta-galactosidase activity in Miller units of T. thermophilus HB27c before (wild type [wt]) or after transformation with pS18-bgaA (pS) and pMS18bgaA (pM). (B) Nitrate reductase (NR) activity of the T. thermophilus HB27c narC::kat mutant before (-) or after transformation with plasmid pS18narC (pS) or pMS18narC (pM). The activity is expressed as nmol of nitrite produced per min and mg of protein. (C) Hyperalkaline phosphatase activity in Miller units of a T. thermophilus HB27c phoA::kat mutant before (-) or after transformation with pS18phoA (pS) or pMS18phoA (pM). The activity of the wild-type strain (wt) is also shown in s B and C. (D) Western blot against Gfh1 of colonies (lanes 2 to 5) of a gfh1::kat mutant transformed with the indicated plasmids. Lanes M and 1 correspond to the mutant and the wild-type strains, respectively. The data presented in s A to C correspond to mean values and standard deviations of triplicate samples from four to six independent assays.

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around half of the Str-sensitive colonies isolated by this protocol carried the expected gene deletion. This one-step procedure represents the fastest and the most straightforward method described to date to obtain deletion mutants in this thermophilic bacterial model. DISCUSSION

FIG. 4. Isolation of deletion mutants by counterselection of the rpsL1 allele. (A) Scheme showing the protocol followed to isolate deletion mutants of the narC gene. Insertion of pS18⌬narC derivative by homologous recombination is selected on plates with Str (⫹Str), and the plasmid presence is subsequently counterselected on plates without the antibiotic (⫺Str). Arrows labeled 4 and 5 correspond to primers FPPnarDIR and O27-32 used in B. (B) PCR with primers 4 and 5 of A on total DNA from colonies (lanes 1 to 5) selected from A that did not show nitrate reductase activity. Lanes P and W correspond to the PCR amplification of the pS18⌬narC plasmid and to total DNA of the wild-type strain, respectively. Lane M corresponds to DNA size markers. Lateral numbers indicate the sizes in base pairs of the PCR products.

method proposed, the insertion into the chromosome of a pS18a derivative containing upstream and downstream homologous regions around a target gene, narC in this case, is selected on plates containing Str, and its deletion by back recombination is further selected by plating on a medium without the antibiotic. This is illustrated in Fig. 4 with the isolation of a ⌬narC mutant, in which the insertion of the pS18⌬narC construct was selected on plates with Str. Then we coinoculated around 50 transformant colonies in a single tube with 10 ml of TB, and after 2 h at 70°C, the cell mix was plated on TB plates without the antibiotic. Under these conditions, less than 1% of the cells grew, compared to the percentage that grew on TB with Str. Moreover, these colonies were sensitive to Str, ing that they have lost the rpsL1 allele. The analysis of a number of these Str-sensitive colonies revealed that around half of them lacked any detectable nitrate reductase activity, as was expected for mutants defective in narC (40). Further PCR assays on five of these nitrate reductase-negative colonies revealed that all of them were ⌬narC mutants, as demonstrated by the amplification of a 653-bp fragment instead of the 1,441 bp expected for a wild-type strain (Fig. 4B). In conclusion,

Thermus spp. constitute a major bacterial model in structural biology and in biotechnology, and high-resolution structures of ribosomes (30) or RNA polymerase (34) are clear examples of this. However, there are still few genetic tools and, specifically, a great limitation in selectable markers to elucidate structurefunction relationships in these organisms. Here we describe a dominant gene marker encoding a double mutant S12 protein from T. thermophilus HB27 that confers not just resistance to, but dependence on, Str, making its use feasible for either positive or negative selection. As the isolation of the rpsL1 allele was carried out in a single step, the presence of two mutations in the same gene would be unexpected because of its low probability (10⫺12 to 10⫺14) unless it occurred sequentially through some kind of effective selection. The most likely selective force could be a requirement for a secondary compensatory mutation that could alleviate a strong growth defect produced by a primary mutation. In this sense, it is interesting to compare the rpsL1 allele of T. thermophilus with the SD mutants of E. coli described by Timms and Bridges (33). These authors found that double rpsL mutants appeared with an unexpectedly high frequency among spontaneous or UV-induced SD mutants and suggested the existence of a transient hypermutability state of the organism that allowed the appearance of compensatory mutations during the first generations of a single-mutant strain. Interestingly, the authors distinguished between “primary” and “ancillary” mutations, in reference to the appearance of the former in some single SD alleles, whereas the latter were essentially found as accompanying mutations of the former. However, the putative individual effects of such ancillary mutations on the Str phenotype were not analyzed in detail. By contrast, in this work we have been able both to separate mutations in T. thermophilus by transformation with rpsL1 fragments and to observe that each individual mutation confers an independent SD phenotype, although both required higher Str concentrations than the rpsL1 double mutant to grow (Fig. 1). Therefore, we could not deduce which of these two SD mutations would be considered “primary” by this criterion. However, the comparison with the E. coli S12 protein favors the K47R replacement as the primary mutation: the position K43 in E. coli, equivalent to K47 in T. thermophilus, is a frequent target for a primary (K43E in E. coli) SD mutation, whereas the R53 residue in E. coli, corresponding to K57 in T. thermophilus, has been described as the target for different ancillary mutations (R53S, R53C, and R53L in E. coli) bound to the P90L primary SD mutation in E. coli (33). Therefore, it is likely that the rpsL1 allele was selected by the incorporation of a compensatory mutation (K57E) during the first division cycles on a K47R mutant. The structural reasons by which these mutations, and especially K57E, confer a SD phenotype are difficult to define due to the huge number of interactions implicated. As shown else-

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where (see Fig. S1A and S1B in the supplemental material), evidence for a global displacement of residues 1490 to 1493 of the 16S RNA close to the Str binding site were detected from backbone dihedral trace comparisons between the “open,” the “closed,” and the “Str-bound” structures of the 30S ribosomal subunit of T. thermophilus, ing that Str fixes the structure in a closed-like conformation. The K47R and K57E mutations independently affect the global electrostatic and steric configuration of this region, pushing out the 16S RNA in such a way that it seems difficult to form a “closed” functional conformation (see Fig. S1C and S1D in the supplemental material). In this scenario, the presence of Str could partially compensate for this, allowing the structure to recover its capability to accommodate the conformational changes required to be functional. Whatever the reason underlying the SD phenotype, the most surprising result from this work was the dominant character of the rpsL1 allele over its wild-type rpsL parental gene when both are present in the cell. This dominant character was shown when the rpsL1 allele was expressed as a single copy in the chromosome because of the integration of either the suicide pS18a plasmid or its derivative pS18⌬narC. In the first case, the rpsL1 allele was expressed as part of its natural operon (“cis” in Fig. 2C) in all the colonies checked. On the other hand, the pS18⌬narC and pMS18 plasmids also confer an SD phenotype, despite the presence of a wild-type rpsL gene expressed from its operon. In consequence, we deduced that the rpsL1 allele produces a dominant SD phenotype, independently of being expressed as part of its operon (pS18a), from another locus in the chromosome (pS18⌬narC) or from a plasmid (pMS18). The reason for this dominance cannot be presently understood. In fact, the presence of both wild-type and mutant ribosomes could be expected in a strain carrying the rpsL and the rpsL1 alleles, and consequently, such cells could be expected to grow either with or without Str. As this was not the case, the dominant SD phenotype is necessarily related to some kind of interference during the synthesis of the wild-type ribosomes in the presence of the mutant S12 protein. On a practical level, the rpsL1 allele has been successfully proven as a positive selection marker alternative to the kat gene for plasmid construction, allowing the expression of genes either on Kan-sensitive or Kan-resistant genetic backgrounds. In both cases, expression of the selected genes as a single copy was possible only in 70 to 80% of the SD transformant colonies. Such a percentage was actually expected because of putative integration into the chromosome through partially homologous regions, which could result in nonfunctional genes, or because of double recombination events that could result in the replacement of the rpsL gene by its rpsL1 allele with the consequent plasmid excision. By contrast, complementation success reached nearly 100% of the SD transformant colonies with the replicative plasmid that does not have to recombine to be maintained in the cell. In conclusion, the rpsL1-based plasmids constitute a new genetic tool for T. thermophilus useful for the complementation of Kan-resistant strains. However, the most promising application of the rpsL1 allele as a genetic tool is its counterselectable character in Str-free growth medium. This allowed us to develop a fast and straightforward method for the isolation of deletion mutants of a

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target gene in a single step. The procedure has been applied here to the isolation of ⌬narC mutants in order to compare it with the procedures of Tamakoshi et al. (32) that we used previously to isolate a ⌬narC mutant (38). This method requires the production of a ⌬pyrE mutant of the parental strain prior to the use of uracil complementation on mineral medium to isolate ⌬target gene::pyrE mutants by double recombination, which finally must be treated with fluoroorotic acid to counterselect the presence of the pyrE gene. The method that we propose here requires only two TB plates with and without Str and a single-plasmid construct to obtain the required deletion mutant. The new method will greatly facilitate the structure-function studies in this important bacterial model. ACKNOWLEDGMENTS This work has been ed by grants of codes BIO2004-02671, cofunded by the Ministerio de Educacio ´n y Ciencia and the European Union, and S0505/PPQ/0344, from Comunidad Auto ´noma de Madrid. Financial of Fundacio ´n Ramo ´n Areces to CBMSO is acknowledged. The bioinformatics of Biomol Informatics S.L. (http: //bioinfo.es) and the critical review of this article by Oleg Laptenko and Tony Barsotti are also acknowledged. REFERENCES 1. Carter, A. P., W. M. Clemons, D. E. Brodersen, R. J. Morgan-Warren, B. T. Wimberly, and V. Ramakrishnan. 2000. Functional insights from the structure of the 30S ribosomal subunit and its interactions with antibiotics. Nature 407:340–348. 2. Castan, P., O. Zafra, R. Moreno, M. A. de Pedro, C. Valles, F. Cava, E. Caro, H. Schwarz, and J. Berenguer. 2002. The periplasmic space in Thermus thermophilus: evidence from a regulation-defective S-layer mutant overexpressing an alkaline phosphatase. Extremophiles 6:225–232. 3. Cava, F., and J. Berenguer. 2006. Biochemical and regulatory properties of a respiratory island encoded by a conjugative plasmid in the extreme thermophile Thermus thermophilus. Biochem. Soc. Trans. 34:97–100. 4. Cava, F., M. A. de Pedro, H. Schwarz, A. Henne, and J. Berenguer. 2004. Binding to pyruvylated compounds as an ancestral mechanism to anchor the outer envelope in primitive bacteria. Mol. Microbiol. 52:677–690. 5. de Grado, M., P. Casta ´n, and J. Berenguer. 1999. A high-transformationefficiency cloning vector for Thermus thermophilus. Plasmid 42:241–245. 6. de Grado, M., I. Lasa, and J. Berenguer. 1998. Characterization of a plasmid replicative origin from an extreme thermophile. FEMS Microbiol. Lett. 165:51–57. 7. Friedrich, A., C. Prust, T. Hartsch, A. Henne, and B. Averhoff. 2002. Molecular analyses of the natural transformation machinery and identification of pilus structures in the extremely thermophilic bacterium Thermus thermophilus strain HB27. Appl. Environ. Microbiol. 68:745–755. 8. Gregory, S. T., J. H. Cate, and A. E. Dahlberg. 2001. Streptomycin-resistant and streptomycin-dependent mutants of the extreme thermophile Thermus thermophilus. J. Mol. Biol. 309:333–338. 9. Guex, N., and M. C. Peitsch. 1997. SWISS-MODEL and the SwissPdbViewer: an environment for comparative protein modeling. Electrophoresis 18:2714–2723. 10. Hanahan, D. 1983. Studies on transformation of Escherichia coli with plasmids. J. Mol. Biol. 166:557–580. 11. Henne, A., H. Bruggemann, C. Raasch, A. Wiezer, T. Hartsch, H. Liesegang, A. Johann, T. Lienard, O. Gohl, R. Martinez-Arias, C. Jacobi, V. Starkuviene, S. Schlenczeck, S. Dencker, R. Huber, H. P. Klenk, W. Kramer, R. Merkl, G. Gottschalk, and H. J. Fritz. 2004. The genome sequence of the extreme thermophile Thermus thermophilus. Nat. Biotechnol. 22:547–553. 12. Hooft, R. W., G. Vriend, C. Sander, and E. E. Abola. 1996. Errors in protein structures. Nature 381:272. 13. Koyama, Y., T. Hoshino, N. Tomizuka, and K. Furukawa. 1986. Genetic transformation of the extreme thermophile Thermus thermophilus and of other Thermus spp. J. Bacteriol. 166:338–340. 14. Koyama, Y., S. Okamoto, and K. Furukawa. 1990. Cloning of ␣- and ␤-galactosidase genes from an extreme thermophile, Thermus strain T2, and their expression in Thermus thermophilus HB27. Appl. Environ. Microbiol. 56: 2251–2254. 15. Laptenko, O., S. S. Kim, J. Lee, M. Starodubtseva, F. Cava, J. Berenguer, X. P. Kong, and S. Borukhov. 2006. pH-dependent conformational switch activates the inhibitor of transcription elongation. EMBO J. 25:2131–2141. 16. Lasa, I., J. R. Caston, L. A. Fernandez-Herrero, M. A. de Pedro, and

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Molecular Microbiology (2007) 64(3), 630–646

doi:10.1111/j.1365-2958.2007.05687.x

Control of the respiratory metabolism of Thermus thermophilus by the nitrate respiration conjugative element NCE

Felipe Cava,1 Oleg Laptenko,2† Sergei Borukhov,2 Zahra Chahlafi,1 Emilio Blas-Galindo,1 Paulino Gómez-Puertas1 and José Berenguer1* 1 Centro de Biología Molecular Severo Ochoa, Departamento de Biología Molecular, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid, 28049, Spain. 2 Department of Cell Biology, UMDNJ-SOM, Stratford, NJ 08084-1489, USA. Summary The strains of Thermus thermophilus that contain the nitrate respiration conjugative element (NCE) replace their aerobic respiratory chain by an anaerobic counterpart made of the Nrc-NADH dehydrogenase and the Nar-nitrate reductase in response to nitrate and oxygen depletion. This replacement depends on DnrS and DnrT, two homologues to sensory transcription factors encoded in a bicistronic operon by the NCE. DnrS is an oxygensensitive protein required in vivo to activate transcription on its own dnr promoter and on that of the nar operon, but not required for the expression of the nrc operon. In contrast, DnrT is required for the transcription of these three operons and also for the repression of nqo, the operon that encodes the major respiratory NADH dehydrogenase expressed during aerobic growth. Thermophilic in vitro assays revealed that low DnrT concentrations allows the recruitment of the T. thermophilus RNA polymerase sA holoenzyme to the nrc promoter and its transcription, whereas higher DnrT concentrations are required to repress transcription on the nqo promoter. In conclusion, our data show a complex autoinducible mechanism by which DnrT functions as the transcriptional switch that allows the NCE to take the control of the respiratory metabolism of its host during adaptation to anaerobic growth.

Accepted 20 February, 2007. *For correspondence. E-mail [email protected]; Tel. (+34) 91 497 80 99; Fax (+34) 91 497 80 87. †Present address: Department of Biological Sciences, Columbia University, New York, NY 10027, USA.

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Introduction In many prokaryotes, nitrogen oxides substitute for oxygen during denitrification, a series of four consecutive steps (NO3–: NO2–: NO: N2O: N2) catalysed by the respective reductases (Zumft, 1997; Richardson et al., 2001). For a few of them, a hierarchical regulatory mechanism has been shown that co-ordinates the expression of each of these reductases in response to two specific environmental signals: (i) oxygen depletion and (ii) presence of the appropriate nitrogen oxide. In most denitrifiers, oxygen depletion is detected through a [4Fe-4S] iron– sulphur redox centre located at the N-terminal domain of a CRP (cAMP receptor protein)-like transcription factor, similar to the Escherichia coli FNR (fumarate and nitrate reductase regulatory protein) (Korner et al., 2003). In the presence of oxygen, the iron–sulphur centre is oxidized, causing the factor to monomerize and become inactive (Crack et al., 2004). In the absence of oxygen, the reduction of the [4Fe-4S] centre leads to protein dimerization through a central a-helix, allowing the protein to bind to a palindromic sequence known as anaerobox through its C-terminal helix–turn–helix (HTH) motif (Korner et al., 2003). Also, there are examples of FNR and other CRPlike factors acting as transcriptional repressors at specific promoters (Busby and Ebright, 1999; Korner et al., 2003). Additionally, the presence of an appropriate nitrogen oxide must be detected by specific sensory proteins. Nitrate is usually detected by a membrane sensor (NarX) that phosphorylates a response regulator (NarL), which then binds to specific sequences upstream from the transcription start site of the corresponding nitrate reductase operons (Stewart, 1993; 2003). However, in organisms like Paracoccus pantotrophus, which lacks NarL homologues, a member of the CRP family of regulators named NarR detects nitrate through a yet unknown mechanism (Wood et al., 2001). Interestingly, the other main signal in denitrification, nitric oxide (NO), is also detected through a subgroup of the CRP family known as Dnr (Vollack et al., 1999; Korner et al., 2003). The genus Thermus sp. belongs to one of the oldest lineages of the bacterial phylogenetic tree (Hartmann et al., 1989), and most of its isolates show an overall aerobic nature. The extreme thermophilic Thermus

Respiratory chain replacement in Thermus thermophilus thermophilus shows the same overall aerobic nature of the genus, but there are isolates of this species that carry out the first step of the denitrification pathway, growing anaerobically with nitrate and excreting nitrite as the endproduct (Ramirez-Arcos et al., 1998a), and even others that fulfil a complete denitrification, reducing nitrite to N2 as final product (Rainey and da Costa, 2001). This ability is encoded within a > 30 kb DNA fragment that can be transferred by conjugation to aerobic strains of the same species through an Hfr-like mechanism, allowing the new hosts to grow as facultative anaerobes (Ramirez-Arcos et al., 1998b). This nitrate respiration conjugative element (NCE) encodes two main operons, named nar and nrc. The nar operon codes for a thermophilic membrane nitrate reductase (Nar), which contains a periplasmic cytochrome c as a fourth subunit in addition to homologues to the NarG, NarH and NarI enzyme subunits found in other bacteria (Zafra et al., 2005). The nrc operon codes for a new class of respiratory NADH dehydrogenase (NDH) made of four subunits, in contrast to the 14- to 16-meric multimer that constitutes the type I NDH, or to the monomeric type II NDH found in most bacteria (Cava et al., 2004). Phylogenetic comparisons of the amino acid sequences of Nar and Nrc subunits are in agreement with the 16S RNA-based phylogeny of the genus, and also suggest an ancient origin for both enzymes (Philippot, 2002; Cava et al., 2004). When a NCE-carrying T. thermophilus strain grows in a nitrate-rich medium under laboratory conditions, depletion of oxygen either due to consumption by the increasing population or experimentally induced leads to the apparently simultaneous induction of the nar and nrc operons (RamirezArcos et al., 1998a; Cava et al., 2004). Interestingly, transcription of the nqo operon, which encodes the aerobic type I NDH of the host, is concomitantly repressed (Cava et al., 2004). Therefore, the T. thermophilus strains carrying NCE replace not just the final electron acceptor enzyme, but the whole respiratory chain, during transition to anaerobic growth with nitrate. In contrast, menaquinone-8 is common to both respiratory processes (Cava et al., 2004). In a previous work we observed that the nitrate- and anoxia-dependent transcription of the nar operon promoter required the presence of the NCE (Moreno et al., 2003), and therefore we concluded that the regulatory factors required for the respiratory chain replacement in response to these signals were encoded within this transferable element. Here we identify a bicistronic operon (dnr) in the NCE that encodes DnrS and DnrT (RegA and RegB in Cava and Berenguer, 2006), two homologues to bacterial transcription and sensory factors. The development of new promoter-probe and expression vectors allow us to show here that both proteins are required for the expression of the operons of the NCE when the cells

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grow in a medium with nitrate under low oxygen concentrations. We find that DnrS is an oxygen-sensitive protein required for the expression of the nar and dnr operons under anaerobic conditions, whereas DnrT is the central regulatory factor required not only to activate the transcription from all the NCE operons but also to repress the transcription from the nqo operon. To our knowledge, this is the first time in which a single thermophilic transcription factor is shown to activate and to repress in vitro transcription by the RNA polymerase of T. thermophilus on two different promoters. Its dual role as transcription activator of the NCE operons and as repressor of the chromosomically encoded Nqo points to DnrT as the central switching mechanism by which the NCE controls the respiratory metabolism of its host during adaptation to anaerobic growth.

Results NCE encodes two homologues of bacterial transcription factors Sequence analysis of the NCE revealed the presence of two genes, preliminarily named regA and regB (Cava and Berenguer, 2006), encoded in the DNA region that separates the nar and the nrc operons (EMBL Accession No. AM161043) (Fig. 1A). The proximity of the coding sequences of both genes (4 bp) and the presence of a Rho-independent transcription terminator downstream of the translation stop codon of regB suggested that they form a bicistronic operon. This was confirmed by reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) assays on RNA isolated from cells incubated for 4 h under anoxic conditions with nitrate (Experimental procedures), in which the expected 1440 bp amplification fragment was obtained with forward primer 1, specific for regA, and reverse primer 3, specific for regB (Fig. 1B). In contrast, the use of reverse primer 4, which hybridizes downstream the putative transcription terminator, was unsuccessful. The amino acid sequence motifs and main similarities to proteins from the databank of the hypothetical proteins encoded by regA and regB are also shown in Fig. 1. The regA gene encodes a 467-amino-acid-long protein, with a theoretical size of 52.6 kDa. A search for sequence motifs at the NCBI server revealed the presence of an N-terminal (positions 1–120) GAF (cGMP-specific and -stimulated phosphodiesterases, Anabaenaadenylate cyclases and E. coli FhlA) domain usually involved in signal detection in several proteins (Aravind and Ponting, 1997; Galperin, 2004). There is an additional BTAD domain (bacterial transcriptional activator domain) shared by all the of the DNRI/REDD/AFSR family of transcription regulators involved in secondary metabolism in Streptomyces sp. and related Actinobacteria (Yeats et al.,

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632 F. Cava et al.

Fig. 1. The dnr operon. A. Scheme of the dnr operon, and the relative position of the nrc and part of the nar operons that surrounds it. Dotted lines on the top indicate the roles of DnrS and DnrT as transcription activators of the indicated NCE promoters shown in this article. B. RT-PCR assay with the indicated primers pairs on total RNA isolated from cells grown for 4 h under nitrate/anoxia conditions. Primers used were regANde1 (1), o27-77 (2), dnrTstop (3) and o27-81 (4), and their approximate annealing positions are indicated in (A). C. Scheme of the positions of the domains identified in DnrS and DnrT. Details are described in the text.

2003). This domain structure suggests a putative role as a signal-sensitive transcription factor for the hypothetical RegA protein. This protein will be named DnrS thereafter to avoid confusion with proteins from other microorganisms. On the other hand, regB encodes a 217-amino-acidlong protein with a theoretical size of 24.8 kDa. Its coding sequence starts with a GTG codon. Sequence comparisons revealed that RegB belongs to the CRP family of transcription activators, sharing the C-terminal HTH DNAbinding motif common to all the family , and also showing an N-terminal nucleotide-binding motif, like the CRP protein. More precisely, the sequence alignment with of this family (Fig. S1) revealed the highest percentages of identity with of the Dnr subgroup of this CRP family, most of which are implicated in signal transduction of NO (DnrE, DnrD) or nitrate (NarR) presence in denitrifying Proteobacteria (Korner et al., 2003). Due to these similarities and to the role in nitrate respiration that we describe in this article, we renamed regB as dnrT. As all its closest homologues, DnrT lacks the four cysteine residues that in of the CRP family, like the FNR protein, are responsible for the detection of oxygen through a 4Fe-4S cluster. Interestingly, the sequence of the HTH motif of DnrT keeps the highly conserved residues E182, S185 and R186, which interact directly with the DNA sequence target in most proteins of the CRP family (Korner et al., 2003) (Fig. S1).

DnrS and DnrT are induced in T. thermophilus during anaerobic respiration To be sure that hypothetical DnrS and DnrT proteins were actually synthesized in T. thermophilus, their respective coding genes were cloned, overexpressed in E. coli, and specific polyclonal rabbit antisera were prepared for each of them (Experimental procedures). These antisera showed similar sensitivities for their respective proteins in parallel Western blot assays (Fig. S2A), thus making it possible to compare DnrS and DnrT amounts by their respective signals. As shown in Fig. 2A, specific signals for proteins of the sizes expected for DnrS and DnrT were immunodetected in the soluble fraction of the facultative wild-type strain NAR1 (lane 3) treated for 4 h under anoxic conditions with nitrate (An conditions). Parallel immunodetection of NarG (Ramirez-Arcos et al., 1998a) and NrcD (Cava et al., 2004) were carried out on the corresponding membrane fractions to confirm the expression of the Nar and Nrc respiratory enzymes under these conditions. As expected, none of these proteins (DnrT, DnrS, NrcD and NarG) were detected in the aerobic strain T. thermophilus HB27 (lane 1) subjected to the same treatment, but they did in its HB27c derivative (lane 2) that carries the NCE element (Ramirez-Arcos et al., 1998b). Interestingly, when the facultative wild-type strain was grown aerobically (A), a low amount of DnrT was detected by Western blot (lane 3),

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hypothetical but actual proteins, which are expressed in T. thermophilus at low levels during aerobic growth but induced during anaerobic growth with nitrate. Having in mind that the respective antisera show similar sensitivities for immunodetection of both proteins by Western blot (Fig. S2A), and that the two proteins are translated form a single mRNA (Fig. 1B), these data suggest for DnrS either lower translation efficiency or a less stable character than for its co-expressed DnrT counterpart. DnrS and DnrT are required for anaerobic growth

Fig. 2. Requirement of the dnr operon genes for the expression of the Nar and Nrc respiratory complexes. A. Total proteins from the T. thermophilus strains HB27 (1), HB27c (2) and NAR1 (3), grown either aerobically (A) or after 4 h under nitrate/anoxia conditions (An), were subjected to parallel Western blots to detect DnrT, DnrS, NrcD and NarG. B. Western blots showing DnrT and NrcD were carried out on cultures of the NAR1 wild-type strain (Wt) and in two independent dnrS::kat null mutants (M1 and M2) grown either aerobically (A) or treated for 4 h under nitrate/anoxia-inducing conditions (An). Note the constitutive expression of DnrT and NrcD under aerobic conditions in the mutants. C. Western blots to detect DnrT, DnrS, NrcD and NarG on nitrate/anoxia induced cultures of the wild-type NAR1 strain (Wt) or of a dnrS::kat null mutant (dnrS). D. Western blots to detect DnrT, DnrS, NrcD and NarG were carried out as in (C) on the wild-type strain and on the dnrT null mutant.

and longer exposure times allowed its detection also in the HB27c strain. Detection of NrcD followed the same pattern. In contrast, detection of DnrS under aerobic conditions was not evident unless larger protein amounts and longer exposure times were used. The final conclusion from these experiments was that DnrT and DnrS are not

Null mutants of dnrT and dnrS were isolated (Experimental procedures). Due to their operon nature and to the absence of a transcription terminator at the end of the kat gene, the DnrT protein was constitutively expressed in two independent dnrS::kat mutants (Fig. 2B, lanes M1 and M2), in such a way that similar levels of DnrT were detected in cultures grown aerobically (A) as in those treated for 4 h with nitrate under anoxic conditions (An). By comparison, the DnrT protein was expressed by the wild-type strain under aerobic conditions at such a low level that it was not detected under the exposure time shown in this figure. On the other hand, no polar effect of the dnrT null mutation on the expression of the DnrS protein was expected. In fact, expression of DnrS required the presence of DnrT (see below). Parallel growth experiments revealed that neither the dnrS nor the dnrT null mutant was able to grow under complete anaerobic conditions with nitrate (not shown). As all the nrc::kat null mutants are still able to grow anaerobically with nitrate (Cava et al., 2004), the inability of the dnrS and the dnrT null mutants to grow under such conditions suggests that the expression of DnrT and DnrS is required for the synthesis of the nitrate reductase, the only component of the respiratory machinery which is fully required for anaerobic growth (Ramirez-Arcos et al., 1998a). This was confirmed by the results of Fig. 2C and D, which show that NarG was not expressed in any of the mutants under inducing conditions. However, there was a clear difference between both mutants with respect to the expression of NrcD: whereas the dnrT null mutant was unable to express it (Fig. 2D), in the dnrS::kat mutant the NrcD protein was expressed anaerobically (Fig. 2C) and even during the aerobic growth (Fig. 2B). It is then noteworthy that the expression of NrcD is concomitant to that of DnrT, which is expressed constitutively in dnrS::kat mutants. A final conclusion from these assays was that the DnrS protein was not expressed in the dnrT null mutant, ing that DnrT is also required for the expression of its own operon (Fig. 2D). To confirm these results, complementation experiments of each mutant were carried out. For this we used pWUR112/77-1 (pWUR thereafter) derivatives, which

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634 F. Cava et al. Fig. 3. Constitutive expression of DnrS and DnrT, and the role of the HTH motif of DnrT. A. Western blots to detect DnrT, NarG and NrcD were carried out on aerobic (A) or on nitrate/anoxia-induced (An) cultures of the NAR1 (Wt) and the dnrT null strains (dnrT) transformed, either with the pWUR control plasmid, or with its derivatives that express the wild-type DnrT (pWURdnrT) protein or its SR/AL mutant (pWURdnrTSR). B. Cultures of the dnrS::kat null mutant transformed with plasmid pWURdnrS were grown aerobically, or incubated overnight under anoxic conditions in the presence or in the absence of nitrate (40 mM) before immunodetection of DnrS and NarG. The nitrate reductase activity of the cultures was also measured (nmol of nitrite produced per minute and per milligram of protein). C. Detection of the indicated proteins on nitrate/anoxia-treated cultures of the aerobic HB27 strain (27), the facultative NAR1 strain (Wt), the dnrT null mutant, and a mutant in which the dnrT gene was replaced by that encoding the SR/AL DnrT mutant (SR).

confer a thermostable resistance to Bleomycin (Brouns et al., 2005) that is compatible with the resistance to Kanamycin of the dnrS and dnrT null mutants (this work). As shown in Fig. 3A, transformation of the wild-type strain or the dnrT null mutant with pWURdnrT results in constitutive expression of DnrT during aerobic growth (A). Concomitant to the constitutive synthesis of DnrT, the NrcD protein is strongly expressed. In contrast, constitutive expression of DnrT does not guarantee the expression of NarG in the wild type or in the dnrT null mutant during aerobic growth, and its synthesis was still dependent on oxygen depletion and nitrate presence (An). On the other hand, constitutive expression of DnrS from pWURdnrS in a dnrS::kat genetic background, in which DnrT is also constitutively expressed (Fig. S2B), does not result in the expression of significant amounts of NarG under aerobic conditions (Fig. 3B, lane O2). However, it is interesting to note the existence of a partial expression of NarG under anoxic conditions in the absence of nitrate when both, the DnrT and the DnrS proteins, are constitutively expressed (Fig. 3B, lane –O2). Nevertheless, full expression of NarG still requires nitrate in addition to anoxia. These results allowed us to conclude that: (i) DnrT is required for the synthesis of NarG, NrcD and DnrS, (ii) the DnrT-dependent activation of the NrcD synthesis is insensitive to oxygen and does not require nitrate, (iii) DnrS is

required for the expression of NarG but not for that of NrcD, and (iv) expression of NarG is still dependent on nitrate and anoxia, although DnrT and DnrS were present. The HTH motif of DnrT is required to activate the expression of the three NCE operons In order to analyse in vivo if this activator role of DnrT on the synthesis of the NarG, NrcD and DnrS was related to its hypothetical ability to bind to the respective gene promoters, the complementation experiment of the dnrT null mutant was repeated with a DnrT site-directed mutant in which two highly conserved residues of its putative HTH motif (S185 and R186) were changed by A and L respectively (SR/AL mutant thereafter). Figure 3A shows how the constitutive expression of this SR/AL DnrT protein from plasmid pWURdnrTSR does not allow the synthesis of NarG or NrcD in a dnrT null mutant background. As the amount of the SR/AL mutant protein detected by Western blot in cells transformed with pWURdnrTSR was similar to the amount of wild-type DnrT observed in cells transformed with pWURdnrT, the differences in their effects on the expression of NarG and NrcD were necessarily the consequence of a mutation-associated function loss, and not due to putative differences in their stability. Thus, the DnrT-dependent synthesis of NarG and NrcD is most likely a consequence of the transcription activation of the

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respective gene promoters after the binding of DnrT through its HTH motif. It is also noteworthy that the expression of the SR/AL mutant from pWURdnrTSR interferes with the synthesis of NarG under nitrate and anoxia in the wild-type strain (Fig. 3A). The experiments above ed the hypothesis that the activating effect of DnrT on Pnar and Pnrc was dependent on its HTH motif, but did not inform us about the putative role of DnrT on its own expression. To analyse this, the chromosomic wild-type dnrT gene was replaced by the mutant one encoding the SR/AL DnrT protein (Experimental procedures). The results of Fig. 3C show that neither the DnrT SR/AL mutant protein nor the NarG or the NrcD protein was induced under conditions in which the three proteins were expressed in the wild-type strain. Consequently, DnrT most likely acts as a transcription activator by binding through its HTH motif to the promoters of the nar, nrc and dnr operons. Effects of DnrS and DnrT on the activity of the Pnar, Pnrc and Pdnr promoters To analyse and to quantify the putative effect of DnrS and DnrT on the transcription of the nar, nrc and dnr operons, the promoter region of each of them was cloned upstream of a reporter gene (bgaA) encoding a thermostable betagalactosidase (Experimental procedures). The constructs were then inserted into pMH184, a new cloning vector that confers a thermostable resistance to Hygromycin B (Nakamura et al., 2005; this work), which is compatible with the thermostable resistances to Kanamycin and Bleomycin. In this way, it was possible to quantify the beta-galactosidase activity expressed from each promoter even in Kanamycin-resistant mutants (dnrT and dnrS) transformed with plasmids conferring Bleomycin resistance (pWUR-derivatives). The beta-galactosidase activities were measured under four different conditions: presence or absence of oxygen, and presence or absence of nitrate. The results are shown in the Fig. 4. As expected, none of these promoters were expressed under any condition in the aerobic strain T. thermophilus HB27, which lacks the NCE (< 20 units). In contrast, in the wild-type facultative strain (NAR1), the Pnar and the Pnrc promoters were strongly induced under anoxic conditions with nitrate (5–6 ¥ 103 units), whereas the Pdnr promoter was induced at a much weaker level (6–7 ¥ 102 units), as it could be expected for genes encoding regulatory proteins. These data represents for Pnar, Pnrc and Pdnr, a 56-fold, 97-fold and 14-fold induction of their respective basal levels (40–100 units) under aerobic growth without nitrate. Neither nitrate nor anoxia was able to induce the Pnar or Pnrc promoters independently in a significant way (less than 2-fold), although a slight expression of Pdnr (3to 4-fold) was observed with nitrate alone (Fig. 4C). The

Fig. 4. Quantification of the transcriptional activity of the nar, nrc and dnr operon promoters. The indicated strains carrying the promoter-probe plasmids pMHnarbgaA (A), pMHnrcbgaA (B) or pMHdnrbgaA (C) were transformed either with pWUR (black bars) or with a pWUR derivative that complemented the strains by expressing the corresponding DnrS or DnrT proteins constitutively (white bars). Then the beta-galactosidase activity of cultures grown aerobically without (1), or with nitrate (2), or anaerobically without (3) or with nitrate (4) was measured (Experimental procedures). The represented data correspond to the mean values of three independent experiments.

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636 F. Cava et al. results also showed that none of these promoters was expressed in a dnrT null mutant, reinforcing the view of DnrT as a central transcription activator during nitrate respiration. We also observed that constitutive expression of DnrT (from pWURdnrT) induced transcription from Pnrc (60- to 70-fold), independently of the presence or absence of oxygen and/or nitrate (Fig. 4B). In contrast, constitutive expression of DnrT did not affect the nitrate and anoxia dependence of Pdnr and Pnar. These results that the activator effect of DnrT on the Pnrc promoter is signalinsensitive, and that DnrT and one or more additional signal-sensitive transcription factors are required to activate the transcription from the Pnar and Pdnr promoters. On the other hand, the absence of DnrS in the dnrS::kat mutant abolished transcription from Pnar and Pdnr (Fig. 4A and C). In contrast, Pnrc was constitutively expressed (47- to 70-fold) in the dnrS::kat mutant, as expected from the polar effect of the mutation on dnrT (Fig. 2B). Interestingly, simultaneous expression of DnrS from the complementation pWURdnrS plasmid and of DnrT (because of the polar effect of the dnrS::kat mutation, Fig. S2B) does not make the transcription from Pnar and Pdnr signal-independent. In such conditions, anoxia by itself has a minor (sixfold) stimulating effect on Pnar expression, but combination with nitrate is still required to get a strong induction (47-fold). This is in agreement with the data from Fig. 3B showing a minor induction of the NarG protein and of the nitrate reductase activity under anoxic conditions. In contrast, Pdnr was significantly induced by anoxia alone (10-fold, a 70% of the maximum detected in the wild-type strain), whereas nitrate had only a minor effect on its expression (Fig. 4C) in these complemented dnrS::kat mutants. Thus, we deduced that DnrS functions as an oxygen-sensitive transcription factor that works in cooperation with DnrT for the activation of Pnar and Pdnr. However, a yet unknown nitrate-sensitive component of the induction apparatus is apparently also required, in special to stimulate transcription from the Pnar promoter. DnrS changes its folding in the presence of oxygen The data above ed that DnrS requires anaerobic conditions to allow transcription from the Pdnr promoter. Thus, we wondered if oxygen-induced inactivation of DnrS could affect its folding. To check this, the DnrS protein was expressed from vector pWURdnrS in two cultures of T. thermophilus grown under aerobic conditions or under anoxic conditions with nitrate, before its sensitivity to trypsin was compared and detected by Western blot (Experimental procedures). As shown in Fig. 5, the DnrS protein expressed under anaerobic conditions remained undigested by the protease after 1 min of treatment, whereas most of the DnrS protein

Fig. 5. Sensitivity of DnrT and DnrS to oxygen. The cytoplasmic fraction of aerobic (+) and anaerobic (–) cultures of the wild-type mutant transformed with pWURdnrT or with pWURdnrS was treated during the indicated periods with trypsin (Experimental procedures), and the remaining protein and resulting peptides were immunodetected by Western blot with the respective antisera.

from the aerobic culture was digested in the same period. In contrast, the DnrT protein expressed from pWURdnrT showed a lower sensitivity to the protease irrespective of the conditions used to express the protein. It is interesting to note that DnrS degradation products were similar in the protein expressed under both conditions, suggesting that similar oxygen-mediated folding change is taking place during the protease treatment. Purified DnrT activates transcription on Pnrc The results from the Fig. 4 showed the relevance of DnrT as a common transcription activator required for the expression of the nar, nrc and dnr operons, and revealed its post-translational signal-insensitive character, at least when acting on the Pnrc promoter. Taking advantage of this apparently insensitive nature, we expressed in E. coli and purified the DnrT wild-type protein and its SR/AL mutant (Experimental procedures). During this purification, size-exclusion chromatography revealed a retention time for DnrT corresponding to 45–50 kDa, around twice its theoretical size, suggesting that DnrT forms a dimer (data not shown). Subsequent in vitro experiments with the purified protein showed the ability of the wild-type DnrT protein to bind to the Pnrc promoter. In particular, DNase I footprint assays at 50°C revealed that DnrT was able to protect a large sequence (CCTTCACCTTACTCCTTGACCCCGGTCAT) creating a hypersensitivity site at position -43 (underlined) with respect to the transcription start point of the Pnrc promoter (Fig. S3). Further recruitment experi-

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Respiratory chain replacement in Thermus thermophilus

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Fig. 6. Activation of Pnrc by DnrT. A. Scheme of the recruitment experiment. The Pnrc promoter (grey-black helix) bound to streptavidin-agarose beads (grey ball) was incubated with DnrT or its SR/AL mutant, and subjected to a further incubation with thRNAP core or holoenzyme. Proteins bound to the beads were recovered by centrifugation and analysed by PAGE. B. Results of the recruitment experiment. Samples of the immobilized Pnrc were incubated in the presence (+) or absence (–) of DnrT (DnrT), its SR/AL mutant (DnrT-SR), the thRNAPh (RNAPh) or the thRNAPc (RNAPc), and proteins bound to the beads were analysed through a 4–20% NuPAGE Bis-Tris gradient gel (lanes 3–10, see the text for details). Standards corresponding to purified thRNAPh (Rh, 1) and DnrT (D, 2) were run in parallel, and positions of each protein subunit are indicated. Common bands in all the lanes correspond to the BSA fraction present in the buffer. C. In vitro transcription on Pnrc by the thRNAPh carrying either the sA (thRNAPh-A) or the sE (thRNAPh-E) in the presence or absence of 5 pmol of DnrT. Samples were took after 2, 5 and 15 min. The full transcript corresponds to a 47-mer run-off of the Pnrc promoter.

ments were carried out to determine if DnrT was required or not for the binding of the T. thermophilus RNA polymerase (thRNAP) to the Pnrc promoter. Figure 6A shows a scheme of the procedure followed. In this, biotinlabelled Pnrc promoter was bound to streptavidin-agarose beads and used as a bait to bind the wild-type DnrT protein or its SR/AL derivative at 50°C. Then the samples were incubated with the RNA polymerase core (thRNAPc) or its SigA (sA)-bearing holoenzyme (thRNAPh), and the bound proteins were recovered by centrifugation and analysed by SDS-PAGE. The results are shown in Fig. 6B. As expected, the wild-type DnrT was recovered bound to the Pnrc promoter (lane 3), whereas its SR/AL mutant did not (lane 8). Neither thRNAPc nor thRNAPh was able to bind to the promoter by themselves (lanes 4 and 5). However, the presence of DnrT efficiently recruited thRNAPh (lane 7) but not thRNAPc (lane 6). As expected, the SR/AL mutant protein was able to recruit neither thRNAPc nor thRNAPh (lanes 9 and 10), because of its inability to bind itself to the promoter. Thus, we concluded that DnrT binds to the Pnrc promoter through its HTH domain and recruits the thRNAPh. Further evidence of the role of DnrT on the activation of the transcription from Pnrc by the thRNAPh was obtained by in vitro experiments at near physiological (60°C) temperatures. As shown in Fig. 6C, thRNAPh alone exhibits only trace transcriptional activity on Pnrc, whereas in the presence of increasing concentrations of the DnrT protein, it efficiently generates a full-length transcript. Interestingly, a thRNAPh carrying the sE (SigE)

factor instead of the sA (SigA) was unable to initiate transcription in the presence of DnrT. Therefore, in vitro transcription from Pnrc requires only DnrT and its cognate sA-thRNAPh, is insensitive to oxygen, and does not require nitrate. In contrast, transcription experiments on the Pnar and Pdnr promoters with the DnrT and thRNAPh were unsuccessful (not shown), in agreement with our in vivo data showing a requirement for at least DnrS in addition to DnrT (Fig. 4). Addition of purified DnrS protein (from E. coli) to the in vitro transcription reactions was also unsuccessful. DnrT represses nqo As commented before, the nqo operon encodes the type I NDH that constitutes the main electron donor during aerobic growth. As nqo transcription is repressed during anaerobic growth with nitrate (Cava et al., 2004), we decided to test whether DnrT or DnrS was implicated in such repression. As a first approach, we used promoterprobe constructs to analyse the transcription from the Pnqo promoter under the same conditions and strains used in the experiment shown in Fig. 4. As it can be deduced from Fig. 7A, the Pnqo promoter was constitutively active in the aerobic strain HB27 (6–7 ¥ 103 units) in every condition assayed (1–4). In contrast, in the facultative NAR1 strain, this promoter was repressed (to around one-fifth of its activity) upon incubation with nitrate and anoxia for 4 h (4). Interestingly, this repression did not occur in a dnrT null mutant, ing the responsibility

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638 F. Cava et al. Fig. 7. DnrT represses Pnqo. A. The transcriptional activity of the Pnqo promoter was measured under the four conditions used in Fig. 4 on the indicated strains carrying the pMHnqobgaA plasmid and complemented (white bars) or not (black bars) with the pWUR derivatives expressing either DnrS or DnrT. B. Inset shows the result of a semi-quantitative RT-PCR performed to detect the transcripts from nrc (1) or nqo (2) in aerobic cultures of the NAR1 strain carrying pWUR or pWURdnrT. M: DNA size markers (759, 611, 453 and 273 bp). The graph shows the growth curves at 60°C of aerobic cultures of the NAR1 strain (wt) and of its dnrT and nrcN null mutants, transformed either with pWUR control plasmid or with pWURdnrT or pWURdnrTSR derivatives. The NDH activity of membrane fractions corresponding to 8 h of growth of each culture is indicated (nmol of NADH oxidized per minute and per milligram of protein). C. In vitro transcription on Pnqo in the presence of thRNAPh and increasing concentrations (0, 5, 10, 20, 40, 80 pmol) of DnrT. Parallel control experiments were carried out with the T7A1 promoter and DnrT (0, 40, 80 pmol) to show the absence of repression by DnrT on this unrelated promoter. An independent experiment is also shown in which transcription from Pnqo was carried out without (–) or with 80 pmol of DnrT (+) or its DnrT-SR/AL mutant (SR). The run-off transcript from Pnqo and PT7A1 correspond to 90 mer and 50 mer respectively. All reactions were performed at 60°C for 10 min.

of DnrT on this effect. This was confirmed by expressing DnrT in a constitutive way from pWURdnrT, which resulted in Pnqo repression (1/10 of its normal activity) even under aerobic growth. Moreover, a similar repression was also found in dnrS::kat mutants (they express DnrT constitutively), reinforcing the idea that DnrT but not DnrS was responsible for the observed Pnqo repression. To test this directly, DnrT was constitutively expressed in T. thermophilus from pWURdnrT during aerobic growth (without nitrate) and the amount of mRNA synthesized from nqo and nrc operons was subsequently analysed by semi-quantitative RT-PCR. The results showed that the expression of DnrT leads to the repression of Pnqo and to the concomitant activation of Pnrc even during aerobic growth (Fig. 7B, inset). Interestingly, when the growth of the wild-type and the dnrT null mutant strains bearing

or not the pWUR derivatives were compared, it was observed that expression of DnrT (from pWURdnrT) decreased the growth rate in comparison with the same strain carrying the control plasmid pWUR, or expressing the DnrT SR/AL mutant (from pWURdnrTSR). We concluded that DnrT was actually decreasing the respiratory efficiency during aerobic growth due to the replacement of type I Nqo-NDH by the Nrc-NDH. Accordingly, the NDH activity from membrane fractions isolated from the cultures (time 8 h) revealed that the expression of DnrT results in a decrease in the activity of 25–30% (700–750 units) compared with those expressing the SR/AL mutant or carrying the control pWUR plasmid (around 1000 units). To identify which part of this activity was actually due to the Nrc-NDH and which was due to the Nqo-NDH remaining in the membrane, we included the nrcN::kat mutant in the experiment (Cava et al., 2004). As shown in Fig. 7B the nrcN::kat mutant grows aerobically as the wild-type strain when carrying the pWUR control plasmid or when expressing the SR/AL mutant, and shows similar NDH activity (around 1000 units). In contrast, expression of DnrT in this nrcN::kat mutant resulted in a very low NDH activity (around 100 units) and in a further decrease of the growth rate of the strain in comparison with that shown by the wild-type strain expressing DnrT. This residual NDH activity most likely corresponds to the Nqo-NDH still remaining in the membrane, which is in agreement with the repression of the nqo promoter by the pWURdnrT plasmid detected in Fig. 7A. Additionally, these data show that the Nrc complex is active as NDH in the wild-type strain when expressed under aerobic conditions, but not as efficient for growth as the Nqo type I NDH is.

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Respiratory chain replacement in Thermus thermophilus A final approach to ascertain the repression of nqo operon by DnrT was an in vitro transcription assay with the thRNAPh. As shown in Fig. 7C, Pnqo was transcribed by the thRNAPh, and the addition of increasing concentrations of DnrT to the reaction mix resulted in decreased transcription until complete repression. In contrast, in control experiment, transcription from unrelated T7A1 promoter was not affected, even by the highest concentration of DnrT assayed. As expected, transcription from Pnqo was not repressed by the SR/AL mutant in an independent experiment (lane SR). These results our conclusion that the observed repression of Pnqo by DnrT was promoter-specific and dependent on its HTH motif. Discussion The ability of some strains of T. thermophilus to use nitrate as electron acceptor during anaerobic growth requires the replacement of the aerobic respiratory chain, whose main electron donor is the Nqo type I NDH, by a specific respiratory chain made of the heterotetrameric enzymes NDH (Nrc) and nitrate reductase (Nar) (Cava et al., 2004). Here we identify a new operon of the NCE that encodes two transcription factors implicated in this replacement of respiratory chains. In the following paragraphs we discuss their specific roles according to our data. The DnrS protein The analysis of null dnrS::kat mutants, in which the DnrT protein is constitutively expressed, and the complementation assays with plasmid pWURdnrS revealed the requirement of the DnrS protein for the expression of Nar but not for the expression of Nrc. The development of a new system of promoter-probe vectors, compatible with other thermostable antibiotic resistances, allowed us to observe that this effect took place at the transcription level. Moreover, we could observe that DnrS was required also to activate transcription from its own promoter. Having in mind that DnrS has a C-terminal BTAD domain, found in the DNRI/REDD/AFSR family of regulators of secondary metabolism of Actinobacteria, we concluded that DnrS most likely acts as a transcription activator on the Pnar and Pdnr promoters. However, constitutive expression of DnrS from plasmid pWURdnrS in a dnrS::kat mutant, in which DnrT is constitutively expressed, did not allowed transcription from Pnar or Pdnr under aerobic growth. Therefore, either the activities of DnrS or DnrT were sensitive to nitrate or to oxygen, or alternatively, an unknown factor necessary for the transcription from these promoters was not expressed or inactive under such conditions. The analysis of the separate effects of these two signals in cells expressing

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DnrS and DnrT constitutively revealed that maximum activity required both signals. Nevertheless, oxygen depletion was more relevant than nitrate on the transcription of the Pnar and Pdnr promoters. This was specially relevant for the Pdnr promoter, in which oxygen depletion produced a significant transcription increase (73% of its maximum) in the absence of nitrate. Having in mind the apparently insensitive character of DnrT on the activation of Pnrc (see below), these results lead us to propose DnrS as an O2-sensitive component of the induction system. In agreement with its apparent O2-sensitive character, the protein DnrS has a GAF domain at its N-terminus. Such domains are found in several cytoplasmic sensory proteins, either associated to other signalling domains such as histidin kinases, adenylate cyclases, diguanilate cyclase/phosphodiesterases and protein phosphatases, or associated to output domains (Galperin, 2004), like the BTAD domain found in DnrS. The signal receptor role of the GAF domains is usually associated to their capability to bind small molecules. In fact, there are precedents of oxygen and/or NO sensing by the GAF domains of the DosS protein of Mycobacterium tuberculosis (Sardiwal et al., 2005) and of the NorR protein of E. coli (D’Autreaux et al., 2005). The way by which the signal is transmitted from the GAF to the output domains is not yet understood, but it is generally assumed that it implies a conformational change, which affects the folding state and, concomitantly, the activity of the regulatory domain (Galperin, 2004). In this sense, we have detected a higher protease sensitivity of the DnrS protein exposed to oxygen during its synthesis than when expressed under oxygen depletion, ing that an oxygen-dependent conformational change that unstabilizes the protein is actually taking place. Unfortunately, we cannot associate this conformational change to a loss of function in in vitro assays (DNA binding, for example) because the DnrS protein purified from in E. coli was inactive in all the assays carried out. Thus, we hypothesize that native DnrS has an oxygensensitive cofactor at its GAF domain that under reducing conditions allows the protein to bind to specific sequences on the Pdnr and Pnar promoters, but that upon oxidation makes the protein inactive through a conformational change. In this way, the DnrS protein could mimic the role that the FNR factor plays as oxygen sensor during nitrate respiration in E. coli (Korner et al., 2003). A detailed molecular analysis of the way by which DnrS is inactivated by O2 will have to wait until active DnrS could be purified from anaerobic cultures of T. thermophilus. DnrT as transcription activator DnrT is required for the synthesis of the Nar and Nrc enzymes, and also for its own expression, so it behaves

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640 F. Cava et al. as a central regulator of the nitrate respiratory system. It is also clear from the experiments with the promoter-probe vectors that DnrT acts at the transcription level on the corresponding operon promoters. However, the form by which these three promoters are activated by DnrT differs: while it has to act in co-ordination with DnrS to stimulate transcription from Pdnr and Pnar under nitrate respiration conditions, its sole presence allows Pnrc to be transcribed, independently of the presence or absence of nitrate or oxygen. This behaviour s that DnrT, in contrast to DnrS, is insensitive to any of these signals, in such a way that it could be considered as a constitutively active transcription factor, whose function depends basically on the concentration reached and not on a putative conformational change. In agreement to this, we found no differences in the sensitivity to trypsin between DnrT proteins produced either aerobically or anaerobically (Fig. 5). This signal-insensitive behaviour contrasts with the modular structure of the CRP family of transcription activators to which DnrT belongs. Actually, most CRP-like factors contain sensory modules at the N-terminal half of the protein that upon binding of molecules such as cAMP (CRP), 2-oxoglutarate (NtcA), or upon detection of signalling molecules such as O2 (FNR), CO (CooA) or NO (Dnr, Nnr) by specific protein-bound sensory cofactors, suffer a conformational change that allows the protein to interact with a target sequence on specifically induced (or repressed) promoters (Korner et al., 2003). In those modules evolved to detect O2, either iron–sulphur centres or haem groups are present (Korner et al., 2003), but none of them have been detected in the purified DnrT protein. However, besides iron–sulphur centres or haem groups, we cannot rule out formally the possibility that small molecules, common enough to be expressed in E. coli, could bind to the ‘cAMP-binding domain’ present in the DnrT sequence. In fact, a model for DnrT conserves the two pockets that in the CRP structure contain the cAMP molecules (Fig. S4A). In any case, the DnrT protein purified from overproducing strains of E. coli was able to bind in vitro to the Pnrc promoter through its HTH motif (the SR/AL mutant did not bind), and to recruit purified thRNAPh in a SigA (sA)-dependent way, allowing the transcription to proceed under thermophilic conditions (Fig. 6C). As neither the thRNAPc nor the thRNAPh was able to bind to Pnrc by themselves under these experimental conditions, and having in mind that DnrT binds to the Pnrc promoter at a position (-43) similar to CRP on type II promoters (Fig. S3), these results the existence of specific DnrT–thRNAPh interactions on Pnrc similar to those observed on such promoters between activation region AR3 of CRP and the C-terminal domain of s70 (Busby and Ebright, 1999; Lawson et al., 2004). To check if similar interactions in the T. thermophilus pro-

teins were likely, and having in mind the availability of high-resolution structures of thRNAPh, we used docking programs to define a putative DnrT–thRNAPh interaction model by using the DnrT AR3 region deduced from the model, and the structure of sA in the thRNAPh crystal (Fig. S4B). It is noteworthy that automatic docking, without any hand-conducted refinement, resulted in a DnrT–thRNAPh complex similar to modelled open promoter complex proposed by Lawson et al. (2004) and by Artsimovitch et al. (2004) (Fig. S4C). In this automatic DnrT–thRNAPh model, the AR2 region of DnrT and its putative target in the a-thRNAP are very close to each other, ing that interactions through them take place in the DnrT–thRNAPh complex also. On the other hand, it was possible to model a nicely complementary set of interactions between the putative AR1 region of the DnrT model and the C-terminal region of the a-thRNAP on the basis of the co-crystal between CRP and the a-ecoRNAP of structure 1LB2 (Benoff et al., 2002) (Fig. S4D). Although yet a model, these data the existence of specific DnrT–thRNAPh interactions on the Pnrc promoter similar to those produced between CRP and ecoRNAPh on type II promoters (Busby and Ebright, 1999). The specificity of such interactions deduced from our model explains the absence of transcription when the thRNAPh containing sE was used in the transcription experiments on Pnrc (Fig. 6C). DnrT is also required to activate transcription on Pnar and Pdnr, but comparison of their sequence with that of the region protected by DnrT on the Pnrc promoter did not reveal clear similarities, probably as a consequence of the complexity of both promoters, which also require the presence of DnrS to be activated. In spite of having no in vitro evidence for the binding of DnrS to DNA, our data suggest that this is most likely the way by which it helps DnrT to activate transcription. In this sense, the promoter of the operon encoding the nitrate reductase A of E. coli requires the binding of three proteins to get active transcription in in vitro assays: promoter-proximal binding of reduced dimers of FNR; promoter-distal binding of several copies of the phosphorilated nitrateresponse regulator NarL; and binding of the IHF (integration host factor) protein in an intermediate region (Schroder et al., 1993). Therefore, it is not surprising to find a similar complex expression requirement for the transcription of the thermophilic Pnar counterpart. In this sense, our results suggest the existence of DnrT–DnrS interactions on the Pnar promoter, not just due to the obvious requirement for both proteins to activate transcription, but also because of the inhibitory effect that the presence of DnrT SR/AL mutant has on the expression of NarG in the wild-type strain under normally inducing conditions (Fig. 3A). The most likely explanation for this result is that the mutant and the wild-type DnrT proteins

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Respiratory chain replacement in Thermus thermophilus compete for interaction with DnrS, and due to the higher concentration of the first, few DnrS proteins remain available to activate transcription. In contrast, this effect does not affect expression of NrcD because of its only dependence on DnrT. On the other hand, transcription from Pdnr presents some differences with respect to the expression from Pnar, despite the common requirement for DnrT and DnrS. On this promoter the putative nitrate-response regulator has a less relevant role once both DnrS and DnrT have been expressed. A putative ‘sequential induction’ model could explain this (Fig. 1A). In this model, a yet unknown nitrate-response regulator could be required to get an increase of the basal expression level of Pdnr as suggested by the results from Fig. 4C. A parallel or further decrease in oxygen concentration could subsequently stabilize DnrS in an active conformation (Fig. 5), allowing the autoamplification of the regulators in an anoxic environment (Fig. 4C). In this way, Pnrc could be induced by DnrT to provide an appropriate electron donor for nitrate (Fig. 4B) and, putatively, also for the whole denitrification pathway, whereas expression from Pnar would be more dependent on the continuous presence of nitrate (Fig. 4A). ing this hypothesis, we have preliminary evidences showing that the Nrc-NDH also constitutes the main electron donor in complete denitryfying strains of T. thermophilus growing on nitrite (in preparation). DnrT as repressor In addition to its role as transcription activator of the nrc, nar and dnr operons from the NCE, a main observation of this work is that DnrT also acts as repressor of the chromosomic nqo operon, which encodes the aerobic type I NDH. For this repression to be detected in vitro, a greater concentration of DnrT was required compared with that needed to activate transcription on nrc (Fig. 7C), thus suggesting that the amount of Nqo decreases after enough Nrc is synthesized, allowing a progressive replacement of the respiratory chains. This replacement of Nqo by Nrc is apparently contradictory in of energy supply. In fact, in mesophiles like E. coli the proton-extruding Nqo homologue (Nuo) is induced during anaerobic growth with nitrate as a way to compensate the loss of energy that the use of nitrate instead of oxygen implies, whereas the non-protonpumping type II NDH is expressed in the presence of oxygen, when the cells do not require the use of a highyield energy metabolism (Unden and Bongaerts, 1997). Interestingly, this replacement of respiratory enzymes in E. coli is under the control of FNR, a DnrT homologue. Although Nrc is inhibited by Rotenone as Nqo does, its subunit architecture, similar to the non-proton-pumping succinate::quinone oxidoreductases (Cava et al., 2004),

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suggests that it lacks the ability to pump protons upon NADH oxidation. Moreover, the observation that the replacement of Nqo by Nrc in cells growing aerobically (strains carrying pWURdnrT) results in a much lower growth rate, and the relatively minor effect on these growth rates of a nrcN mutation (Fig. 7B) s a lower energy yield for Nrc than for Nqo per mol of NADH oxidized when oxygen is the final electron acceptor. Therefore, the energy yield seems not to be the driving force that had selected for the adaptation of DnrT to its repressor role on nqo, unless some kind of electron channelling between respiratory complexes exists that could limit the energy yield after the partial replacement (Nqo by Nrc) of components. In this sense, there are growing evidences of the formation of respiratory supracomplexes in bacteria (Megehee et al., 2006) and yeasts (Cruciat et al., 2000). Alternatively, one can imagine DnrT as a mechanism evolved by a selfish mobile element, like NCE, to ensure its integrity upon selection after horizontal transference: repression of Nqo could make the cell more energetically dependent on the presence of NCE. Concluding remarks and perspectives This work has shown the DnrT protein as the direct responsible for the replacement of respiratory chains that takes place during adaptation of T. thermophilus to nitrate respiration, showing for the first time in vitro and in vivo the direct activation and repression of thRNAPh transcription activity by a thermophilic CRP homologue. However, our data also opened several questions about how the absence of oxygen and the presence of nitrate are sensed by this organism. We have presented evidences that suggest that T. thermophilus uses for this purpose completely different mechanisms from that shown by E. coli to detect both signals. Instead of using a FNR homologue as oxygen sensor, T. thermophilus apparently uses DnrS, a protein containing a GAF domain, but the actual O2-sensory cofactor remains unidentified. On the other hand, the mechanism by which nitrate affects the expression of the dnr and nar operons remains unsolved. In most bacteria, nitrate as a non-permeable solute is sensed at the periplasm by homologues of NarX, the membrane partner of a two-component regulatory system of E. coli, and the signal is transmitted by phosphorylation of homologues of NarL, the corresponding response regulator. However, neither the NCE nor the genomes of the sequenced strains of T. thermophilus encode homologues of such a nitrate-sensory transmission system. This suggests that as it apparently happens with O2 detection, a different mechanism for nitrate detection and transcription activation has evolved in this ancient bacterial lineage. The availability of new genetic tools for this extreme ther-

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642 F. Cava et al. mophile, described and used in this work for the first time, will help to find answers to these questions. Experimental procedures Strains and growth conditions The E. coli strains DH5a [supE44, DlacU169 (f80 lacZDM15), hsdR17, recA, endA1, gyrA96, thi-1, relA1] and BL21DE3 [hsdS, gal (lcIts857, ind1, Sam7, nin5, lacUV5-T7 gene 1)] were used for plasmid construction and protein expression respectively. T. thermophilus NAR1 is the facultative anaerobic wild-type strain in which the presence of the NCE was first described. This strain was identified as HB8 in previous works (Ramirez-Arcos et al., 1998a), but sequence comparisons with the recently available genome of the type strain revealed that they are highly related but different strains. The derivative nrcN::kat mutant of this strain was also used (Cava et al., 2004). T. thermophilus HB27 is a wild-type aerobic strain provided by Dr Koyama. T. thermophilus HB27c is a facultative anaerobe derived from HB27 to which the NCE was transferred by conjugation (Ramirez-Arcos et al., 1998b). Aerobic growth of T. thermophilus was routinely carried out on TB at 60°C or 70°C under mild stirring (150 r.p.m.) in one-fifth of the volume of the flask (Ramirez-Arcos et al., 1998b). Induction by nitrate and anoxia (nitrate/anoxia conditions) was achieved by arresting the shaker and the simultaneous addition of potassium nitrate (40 mM) to aerobic cultures grown to an OD550 of 0.3. Under these conditions, rapid consumption of O2, along its low solubility at high temperature, makes the culture anoxic in a very short time. Completely anaerobic growth was carried out in screwcapped tubes containing 10 ml of TB and potassium nitrate (40 mM), overlaid by mineral oil (Cava et al., 2004). Agar (1.5% w/v) was added to the TB medium for growth on plates. When required for selection, Kanamycin (30 mg l-1), Bleomycin (15 mg l-1) or Hygromycin B (100 mg l-1) were added to the growth medium. Escherichia coli was grown at 37°C on liquid or solid LB medium. Kanamycin (30 mg l-1), Ampicillin (100 mg l-1), Bleomycin (3 mg l-1) and/or Hygromycin B (100 mg l-1) were also used when needed.

DNA and RNA methods DNA and RNA isolation, plasmid purification, restriction analysis, plasmid construction and DNA sequencing were carried out by standard methods (Sambrook et al., 1989). PCR was performed with the DNA polymerase from T. thermophilus as described by the manufacturer (BIOTOOLS B & M, Madrid, Spain). For semi-quantitative RT-PCR the Ready-To-Go™ kit (Amersham Biosciences) was used. Directed mutagenesis was carried out by PCR. The primers used are described in Table S1.

Gene cloning, plasmids and transformation The dnrS and dnrT genes were identified within the sequence of plasmid pUP1B, a pUC119 derivative from a gene library

(Fernández-Herrero et al., 1997) selected by colony blot with a 3′ probe of the nar operon. E. coli–Thermus sp. shuttle vectors pMK184 (this work), pWUR112/77-1 (Brouns et al., 2005) and pMH184 (this work) are derivatives of pMK18 (de Grado et al., 1999) encoding compatible thermostable resistances to Kanamycin, Bleomycin and Hygromycin B (Nakamura et al., 2005) respectively. Plasmids pMHnarbgaA, pMHnrcbgaA, pMHdnrbgaA and pMHnqobgaA are derivatives of pMH184 in which the thermostable betagalactosidase reporter gene bgaA (Moreno et al., 2003) is expressed under the control of DNA fragments containing the promoter regions of the nar, nrc, dnr and nqo operons respectively. The sizes of the promoters included in these plasmids with respect to the translation start codon of their respective first genes are: -784 to +6 (nar), -249 to +3 (dnr), -343 to +315 (nrc) and -448 to +3 (nqo). In all the constructs, the bgaA gene was preceded by a Shine–Dalgarno sequence (GGAGG). Plasmids pWURdnrT, pWURdnrtSR and pWURdnrS are derivatives of pWUR112/77-1 used for constitutive expression of the wild-type DnrT, its S185A/R186L mutant and the DnrS protein respectively. For this purpose, the respective genes were amplified by PCR (Table S1) and cloned between the NdeI and the EcoRI sites of plasmid pET22b (Novagen) to further proceed to their isolation by XbaI and EcoRI digestion and cloning in the same sites of pWUR112/77-1. In these constructs, transcription from the constitutive PslpA promoter of the Bleomycin resistance cassette continues through the cloned genes, allowing their constitutive expression. Transformation of T. thermophilus with linear or circular DNA was achieved by natural competence (Cava et al., 2004), whereas standard protocols were used to transform E. coli.

Isolation and complementation of mutants Plasmid pK18 is a derivative of pUC18 used as integrative vector in T. thermophilus because of the presence of the kat gene (Laptenko et al., 2006). Null dnrT mutants were isolated by recombinative insertion of a pK18 derivative (pK18DNtCtdnrT) carrying a central fragment of dnrT (positions +101 to +548) obtained by PCR with the primers dnrTEcoRI and dnrTBamHI (Table S1). The S185A/R186L-directed mutant was obtained by standard PCR protocols by using primers dnrTmutSR, dnrTEcoR1rev and dnrTNde1 (Table S1). The replacement of the wild-type dnrT gene by its derivative encoding the S185A/R186L double mutant was carried out by using a construct in which the mutant gene was cloned into pK18 from positions +101 to the final stop codon of the dnrT sequence to direct its integration by homologous recombination. Insertional dnrS::kat mutants were obtained by transformation with a linear DNA fragment carrying the dnrS gene interrupted by the kat gene at a PstI site at position +1255 with respect to its translation start, and flanked by appropriate upstream and downstream homologous regions for recombination. In this dnrS::kat mutant, the PslpA promoter of the kat gene provides constitutive transcription to dnrT because of the absence of a transcription terminator. In all instances, the nature of the isolated mutants was checked by PCR and by immunodetection with anti-DnrT or anti-DnrS. Complementation experiments of these mutants were carried

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Respiratory chain replacement in Thermus thermophilus out by transformation with the pWUR derivatives described above.

Promoter induction assays Quantitative measurements of the transcription of the nar, nrc, dnr and nqo operons were tested in cultures of wildtype or mutant strains of T. thermophilus transformed with promoter-probe plasmids pMHnarbgaA, pMHnrcbgaA, pMHdnrbgaA or pMHnqobgaA respectively. The effect of the absence or of the constitutive expression of DnrS or DnrT on these promoters was assayed on dnrT or dnrS null mutants transformed with the control pWUR plasmids or its corresponding derivatives. For aerobic expression, cells were grown for 8 h to the exponential phase (OD550 between 0.3 and 0.6) under stirring (150 r.p.m.) in a 1/10 volume of the flasks to allow maximum oxygen diffusion. For anaerobic induction, aliquots of these cultures were subsequently transferred to complete the total volume of 2 ml screw-capped tubes, which were incubated for 16 more hours. Nitrate effect was assayed by providing potassium nitrate at 40 mM to the TB medium. All these experiments were performed at 60°C to limit the putative toxicity of the constitutive expression of DnrS or DnrT. The beta-galactosidase activities of soluble cell extracts were assayed in triplicate experiments on the chromogenic substrate ONPG (ortho-nitrophenyl-galactopyranoside) at 70°C. The activities were expressed in arbitrary units as described by Miller (1992).

Sensitivity to trypsin Cultures of the NAR1 wild-type strain bearing the pWURdnrS or pWURdnrT plasmids were grown at 70°C on nitrate-free TB medium, either under aerobic conditions (180 r.p.m.) in one-fifth volume of the flask to reach an OD550 of 0.5, or in static bath overnight to limit oxygen diffusion. Then cells were harvested, and subsequently disrupted by sonication (Braun Labsonic; 1 min in 0.5 s pulses, maximum power) in TS buffer (50 mM Tris-HCl, 50 mM NaCl, pH 7.5), before separation of soluble and particulate fractions by ultracentrifugation (150 000 g, 15 min at 4°C). Sensitivity to trypsin was assayed in 80 ml of cell fraction samples containing 2 mg ml-1 of protein. Then, 2 ml of trypsin solution (5 mg ml-1 in HCl 1 mM) was added to the samples, which were incubated at room temperature for the indicated times. Digestion was stopped by boiling in Laemmli loading buffer, and the proteins were separated by SDS-PAGE (Sambrook et al., 1989). DnrS and DnrT were identified by Western blot with specific rabbit antisera and detected by chemiluminescence with the ECL detection kit (Amersham).

Purification of DnrT, DnrS and thRNAP The genes encoding DnrT, its S185A/R186L mutant, and DnrS, were amplified with appropriate primers (Table S1) and cloned between the NdeI and EcoRI sites of pET22b and

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pET28b (Novagen) to allow their expression in E. coli BL21DE3, either as the native protein sequences or with N-terminal 6x-Histidine-tag fusions. Specific rabbit anti-DnrT and anti-DnrS antisera were prepared by a private company (Charles River Laboratories, Chalaronne, ) from the respective proteins purified by SDS-PAGE for their further use in immunodetection assays. Both proteins were purified by affinity chromatography on Ni-NTA agarose (Qiagen) followed by thermal denaturation (70°C, 15 min) of remaining E. coli proteins. DnrT was further purified through a size-exclusion chromatography on superdex-200 and stored in aliquots at -20°C with glycerol (40%) until use. The thRNAPc was purified from T. thermophilus as in (Vassylyeva et al., 2002). Quantitative in vitro transcription assays (Vassylyeva et al., 2002; Laptenko and Borukhov, 2003) revealed that the thRNAPc preparation contained 80% of catalytically active molecules. Reconstituted thRNAPh (holoenzyme) was obtained by combining 0.5 mg of thRNAPc with purified 0.15 mg of recombinant SigA (sA) (Nishiyama et al., 1999) or SigE (sE) factors followed by holoenzyme purification by size-exclusion chromatography using Superose 6 column (Vassylyeva et al., 2002). Recombinant SigE was a generous gift from Dr Jookyung Lee.

ThRNAP recruitment A scheme of the recruitment experiment is shown in Fig. 6A. Biotine-labelled Pnrc (positions -207 to +28, 235 bp) was bound to ImmunoPure Immobilized Streptavidin Gel (Pierce) in binding buffer (20 mM HEPES, 50 mM NaCl, 10% glycerol, 0.1 mg ml-1 Bovine seroalbumin, 5 mM 2-mercaptoethanol, pH 6.9). Then, the DnrT protein or its SR/AL mutant (1 mg) was incubated for 15 min at 50°C with 0.2 mg of Pnrc-resine in 20 ml samples containing 2 mg of salmon sperm DNA. ThRNAPc or thRNAPh (4.7 pmol) was then added and incubated for 15 more minutes at the same temperature. After three washing steps with 300 ml of binding buffer, the bound proteins were eluted with 1% SDS, separated in a 4–20% NuPAGE Bis-Tris gradient gel (Invitrogen), and Coomassie blue stained. Samples without DnrT were used as negative controls.

In vitro transcription In vitro transcription was carried out in 10 ml samples of transcription buffer (50 mM MOPS, 40 mM KCl, 10 mM MgCl2, 0.1 mM Dithiotreitol, pH. 6.5) containing 0.3 pmol of the promoter DNA (Pnar, PT7A1, Pnrc or Pnqo), 1.75 pmol of thRNAPh, bearing either sA or sE, and the specified amounts of wild-type DnrT or its SR/AL mutant. Transcription started at 60°C by adding a NTP mix (0.8 mM GTP, 0.8 mM ATP, 0.1 mM CTP, 0.2 mM UTP and [a-32P]-CTP) and continued for different times before analysis. The sizes for the promoter regions amplified by PCR (Table S1) used in these assays were: -207 to +28 for Pnrc (235 bp), -784 to +6 (790 bp) and -211 to +1 (212 bp) for Pnar, and -448 to +3 for Pnqo (458 bp). The 270 bp T7A1 promoter was used as positive transcription control in different experiments (Nudler et al., 1997).

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644 F. Cava et al. Amino acid sequence alignment and molecular modeling of DnrT The domain identification on DnrS and DnrT was carried out through the InterPro Scan Sequence search program at the EMBL-EBI. DnrT homologues obtained with BLAST (Altschul et al., 1995) were aligned using CLUSTALW (Thompson et al., 1994) and T-COFFEE (Notredame et al., 2000) algorithms. The structural model of DnrT was built on CRP–DNA complex structure (PDB entry 1O3R; Chen et al., 2001) by using the SWISS-MODEL server facilities (Schwede et al., 2003) and its quality examined with WHAT-CHECK procedure (Hooft et al., 1996) of the WHAT IF program (Vriend, 1990). The model was further refined by subjecting it to three steps of 50 cycles of the steepest descent minimization method of the DEEPVIEW program (Guex and Peitsch, 1997). The model for interaction of thRNAP a-C-terminal domain with AR2 of DnrT was built using the protein–protein rigid docking method implemented in HEX program (Ritchie and Kemp, 2000), setting the initial position of the putative complex on the CRP-a-ecoRNAP C-domain structure (PDB entry 1LB2; Benoff et al., 2002). The model for DnrT–sigma A interaction was carried out by the same method using the deduced DnrT model structure and the co-ordinates of thRNAPh structure, which includes the position of sA in the complex (PDB 1SMY; Artsimovitch et al., 2004). To reduce the translationalrotational search, the initial positioning of the putative complex was set by an initial generation of 5 ¥ 103 different docking solutions for the complex, using the low-resolution docking algorithm GRAMM (Vakser, 1995), and by selecting solution that minimizes the average distance between the DnrT AR3 site and its binding site on sA, as described (D’Autreaux et al., 2005).

Data deposition The sequence of the dnr operon was deposited to EMBL GenBank with the identification No. AM161043.

Acknowledgements This work has been ed by grants of code BIO200402671 co-funded by the ‘Ministerio de Educación y Ciencia’ and the European Union to J. Berenguer, SAF2004-06843 to P. Gómez-Puertas, and NIH Grant GM54098 to S. Borukhov. Financial of ‘Fundación Ramón Areces’ to CBMSO is also acknowledged. We want to thank Dr Stan Brouns for providing the pWUR112/77-1 plasmid, and to Dr Nakamura for giving us the thermostable resistance to Hygromycin used to construct pMH184.

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646 F. Cava et al. Supplementary material The following supplementary material is available for this article online: Fig. S1. DnrT amino acid sequence alignment. Sequences of DnrT and other of the CRP family were compared and aligned using CLUSTALW program. Identical residues are shaded in grey, and residues subjected to sitedirected mutagenesis in DnrT are marked with asterisks. Secondary structure elements (H, alpha helix; E, beta strand) of E. coli CRP (CRP-Eco, PDB entry 1O3R), as well as two structural motifs, the dimerization helix and the helix-turnhelix DNA-binding motif are shown in the lower row (CRPEco (ss)). Known sites of CRP interaction with RNAP (activation regions AR1, AR2 and AR3) are shown as coloured boxes above the DnrT sequence. Schematic diagram showing the spatial relationship of AR1-AR3 regions of CRP and RNAP subunits is presented at the bottom. Protein accession numbers: THET2-TtheH – TTC1072 from T. thermophilus HB27; FLP-Llac – Q9S393 from Lactococcus lactis; NarR-Ppan – Q93PW2 from Paracoccus pantotrophus; DnrE-Pst – Q9X7J7, DnrD-Pst – Q9X7J4, and FnrAPst – P7200 from Pseudomonas stutzerii; Dnr-Pae – Q51441 and ANR-Pae – P23926 from P. aeruginosa; FNR-Eco – P0A9E6 and CRP-Eco – P0ACJ8 and from E. coli. Fig. S2. A) Immuno-detection of the indicated amounts (ng) of DnrS and DnrT purified from over-expressing strains of E. coli. B) Western blot of total protein extracts from T. thermophilus showing the DnrS and DnrT proteins expressed in the facultative wild type strain (NAR1) grown aerobically (A) or treated for 4 hours under anoxia with nitrate (An), and in its dnrS::kat mutant grown aerobically before (-) or after transformation with pWUR (pW) or with pWURdnrS (pWdnrS). The aerobic strain HB27 (27) is shown as control. Note that constitutive expression of DnrT in the dnrS::kat mutant during aerobic growth is independent of the presence of pWURdnrS. Fig. S3. DNase I footprinting analysis on triplicate samples of the Pnrc promoter with (+DnrT) or without (-DnrT) the DnrT protein. Samples (20 ml) of Pnrc (7 pmol), labelled in the template strand by PCR with primers [32P]-FPpnrcRev and FPpnrc47rev, were incubated for 5 min at 50°C with DnrT (5,

10, 50 pmol) in the presence of 2 mg of [dI-dC], and digested with DNase I for 1 min at 50°C in reaction buffer (8 mM HEPES, 6 mM MgCl2, 100 mg/ml BSA, pH 7.5). Samples were analyzed by denaturing PAGE and visualized by autoradiography. The sequence protected by DnrT is shown. Fig. S4. Structural model for DnrT. A) Ribbon plot of the proposed structure for DnrT dimer interacting to a DNA molecule, represented as a surface coloured according to electrostatic properties. Atoms of residues located in the interaction areas AR1 (yellow), AR2 (blue) and AR3 (green) are depicted as spheres. Model shows the location of the large dimerization helices of both molecules in the dimer interface, as well as the HTH motif in close to the major groove of DNA. The location of the cAMP molecules in the CRP structure is shown for clarity. B) Detail of modeled AR3-sA – DNA interaction. Position of residues in AR3 domain, represented as ‘sticks’, indicates the location of side chains of R63 and K64 (blue) pointing to the negatively charged surface of DNA phosphate backbone. Acidic chains of D59 and E61 (red) are faced to the positive residues of K403, R406, and K407 of sA. Residues R396, and R398 appear to bind phosphate groups in the backbone of DnrTbound DNA. C) Modelled interaction of DnrT to thRNAPh. Proteins, as well as DNA bound to DnrT, are represented as atomic surfaces. AR2 site in DnrT and its proposed recognition site in a-thRNAPh have been highlighted. D) Model for the interaction of the C-terminal domain of the a-thRNAP (green ribbon) with DnrT through the AR1 domain. Atoms of residues in in both proteins are illustrated as spheres. DNA surface has been omitted for clarity. Plots were generated using PyMOL (DeLano Scientific, San Carlos, CA). Table S1. Oligonucleotides used in this work and their purpose. This material is available as part of the online article from http://www.blackwell-synergy.com Please note: Blackwell Publishing is not responsible for the content or functionality of any supplementary materials supplied by the authors. Any queries (other than missing material) should be directed to the corresponding author for the article.

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BRIEF COMMUNICATIONS

An activity-independent selection system of thermostable protein variants He´le`ne Chautard1, Emilio Blas-Galindo2, Thierry Menguy1, Laure Grand’Moursel1, Felipe Cava2, Jose´ Berenguer2 & Marc Delcourt1 We describe an activity-independent method for the selection of thermostable mutants of any protein. It is based on a fusion construct comprising the protein of interest and a thermostable antibiotic resistance reporter, in such a way that thermostable mutants provide increased resistance in a thermophile. We isolated thermostable mutants of three human interferons and of two enzymes to demonstrate the applicability of the system.

Predictions of which changes are to be made in a specific protein to increase its thermostability is a difficult task even when the threedimensional structure is known1. Directed evolution methods have been developed and are a useful tool for this goal. These strategies, however, require a high-throughput robotic format, and costs and time usually limit the application of these methods to small-sized libraries (typically 103–105 variants), thus restricting the sequence space to be explored. In this context, the use of direct selection methods to increase thermostability is a desirable, but still a rare as well as a technically difficult, accomplishment2–4. Here we describe an activity-independent system that byes the above limitations. This new method, named THR, is based on the expression of fusions between the protein of interest (N terminus) and a thermostable variant of kanamycin nucleotidyl transferase5 (C terminus) in Thermus thermophilus. As an improperly folded N terminus of a protein has a deleterious effect on the folding of its C-terminal portion (the reporter)6,7, we anticipated that the stability of mutants of the protein of interest would be transduced to the fused reporter and lead to a life-or-death signal at high temperatures. To validate this hypothesis, we constructed the pNCK Escherichia coli–Thermus spp. shuttle plasmid (Fig. 1a and Supplementary Methods online), which provides the thermophile with high kanamycin resistance (460 mg/l) at 70 1C as the result of kattv (thermostable variant of the kanamycin nucleotidyl transferase) expression (Fig. 1a). Then, we cloned a fragment of the human

interferon gamma (IFNg) gene (IFNG) encoding the 145-aa mature form of the protein in frame with the antibiotic reporter (pNCK-IFNg; Fig. 1a) and a variant of the IFNG with a Stop codon close to the end of the gene (pNCK-IFNgstop) as a fusion-failed control. We also generated constructs with two thermostable IFNg mutants: pNCK-IFNgD10, which lacks the 10 terminal residues8, and pNCK-IFNg::E30C,S92C, which contains an additional disulfide bridge9. We transformed these constructs in T. thermophilus, dot-plotted them on plates containing different concentrations of kanamycin, and incubated the plates at 60 or 70 1C. The presence of wild-type IFNg did dramatically limit the growth at 70 1C on plates containing 20 mg/ml of kanamycin; we detected no growth under more stringent conditions (440 mg/ml of kanamycin; Fig. 1b). The Stopmutant construct had even more limited growth as it does not allow expression of the reporter. By contrast, fusions with both of the thermostable mutants had increased growth as compared to the wild type. Overall, these first model experiments validated our approach by clearly linking thermostability of the target and bacterial growth. As an increase from 60 to 70 1C produced a decrease in the growth capability provided by the respective plasmids (data not shown), we concluded that the antibiotic concentration and the incubation temperature could be managed as independent

a

b

INFG

Kanamycin (µg/ml) 0

PslpA

20

40

60

kat tv Control ori ec

ori th

pNCK amp R

pNCK

Figure 1 | Kattv-fused IFNg variants IFNγpNCK(WT) induce T. thermophilus growth relative to their thermostability pNCKlevel. (a) Schematic structure of IFNγ stop plasmid pNCK-IFNg. Sequences corresponding to the promoter of pNCKthe slpA gene (PslpA) and the linker IFNγ∆10 region are represented as white and black bars, respectively. pNCK-IFNγ E30C/S92C Approximate positions of the cloning site for the insertion of target genes, the Thermus spp. origin of replication (orith), E. coli origin of replication (oriec) and the ampicillin resistance gene (ampr) are indicated. (b) Growth at 70 1C in the presence of the indicated concentrations of kanamycin of untransformed T. thermophilus cells (control) or of cells transformed either with plasmid pNCK or with its derivatives as indicated. WT, wild-type.

1Biome´thodes

SA, Genavenir 8, 5 rue Henri Desbrue`res, 91030 Evry, . 2Centro de Biologı´a Molecular Severo Ochoa, Universidad Auto´noma de Madrid 28049 Madrid, Spain. Correspondence should be addressed to J.B. ([email protected]).

RECEIVED 24 APRIL; ACCEPTED 27 AUGUST; PUBLISHED ONLINE 30 SEPTEMBER 2007; DOI:10.1038/NMETH1090

NATURE METHODS | VOL.4 NO.11 | NOVEMBER 2007 | 919

BRIEF COMMUNICATIONS b

100 80 60 40 20

IFNα WT IFNα R45G IFNα L89A

100 80 60 40 20

IFNβ WT IFNβ Y24D IFNβ C38W

0 10 20 30 40 50 60 Pre-incubation time at 65 °C (min)

70

120 100 80 60 40 20 0

0

0

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c

120 IFNβ residual activity (%)

IFNα residual activity (%)

120

IFNγ residual activity (%)

a

0

5

10

15

20

25

30

Pre-incubation time at 60 °C (min)

35

IFNγ WT IFNγ F159C IFNγ M100N 0

5

10

15

20

25

30

35

Pre-incubation time at 60 °C (min)

Figure 2 | Thermoresistance kinetics of two thermostable mutants of IFNa, IFNb and IFNg. (a–c) Thermoresistance assays of two selected mutants of each interferon respectively, at the indicated temperatures. Residual activity is expressed as a percentage of the activity before incubation. Error bars, s.d. values from three independent experiments. All mutants had no more than 10% difference in specific activity when compared to their wild-type counterpart. WT, wild-type.

parameters to choose the best selection stringency for each specific protein target. Our next objective was to validate the system to select new thermostable variants. We generated a library from pNCK-IFNg in E. coli using the Massive Mutagenesis technology10,11. A complete diversity was introduced at each amino acid position in a combinatorial manner. The library had a diversity of 5 106 independent mutant clones and an average of 1.0 mutations per molecule. Based on our experience, we estimated that the library contained about one-third wild-type clones, one-third single mutants, one-sixth double mutants and one-sixth clones containing three or more mutations. From the data we obtained (Fig. 1) we chose 70 1C and 20 mg/ml kanamycin as selective conditions in T. thermophilus. This primary selection resulted in 230 bacterial colonies. We collected these colonies, pooled them, extracted plasmids from them and transformed the plasmids into E. coli cells. Then we subjected about 120 E. coli clones to profile analysis. Fewer than 10% had a detectable alteration, ing the existence of only a minor recombination background, not substantially affecting the overall selection procedure. Sequencing of 96 individual clones showing normal migration profiles revealed that 10% of clones contained a Stop codon or a 1–2 bp deletion (always close to the 5¢ terminus), similar to the background reported for other systems12. We also selected and discarded residual wild-type clones and redundant mutants. Finally, we re-assayed 33 mutants in T. thermophilus (secondary selection) and measured the ratio between the number of colonies growing on selective (20 mg/ml kanamycin, 70 1C) versus non-selective (10 mg/ml kanamycin, 60 1C) conditions. Here we refer to this ratio as the ‘thermostability factor’, and it indicates the capability of the mutant to fold at high temperature. Twenty-six clones had a greater thermostability factor value than the parental protein (Supplementary Table 1 online). We applied the same procedure to libraries of interferon alpha (IFNa) and interferon beta (IFNb) coding genes cloned in pNCK. For the primary selection on the respective libraries we chose the following conditions: 60 1C and 80 mg/ml kanamycin for IFNa and 60 1C and 20 mg/ml kanamycin for IFNb. Out of the 96 clones initially selected, 33 (containing 93 amino acid substitutions in total) and 29 (containing 49 amino acid substitutions in total) ed the second screening step for IFNa and IFNb, respectively (re-validation in T. thermophilus; Supplementary Table 2 online). 920 | VOL.4 NO.11 | NOVEMBER 2007 | NATURE METHODS

As the selection procedure is activity-independent, it was necessary to detect which of the mutant proteins still retained the biological activity in a third selection step. We introduced each amino acid substitution separately in the respective IFNa, IFNb and IFNg coding genes, expressed the proteins in COS-7 cells and used them in a biological assay (Supplementary Methods). Approximately 15% of the mutants were either inactive or not secreted. We assayed the thermoresistance of the mutants that retained at least 50% of the wild-type activity. Analysis of two example mutants for each protein is shown in Figure 2. From IFNa, IFNb and IFNg mutants that conserved the activity, in this screen we confirmed 21, 18 and 7 mutations, respectively (Supplementary Table 2). To determine whether the observed thermoresistance was due to an increase in thermostability and not a consequence of a better refolding from a thermally induced unfolded state, we carried out a pulse-proteolysis assay13 on the IFNg mutants F159C and M100N as complementary stability assay. The mutants were more resistant to protease digestion in the presence of urea (Supplementary Fig. 1 online). This result, together with their thermostability factor values (which quantifies folding at 70 1C), clearly the idea that the THR system selects mutants with increased thermostability and not just variants having a higher refolding capability. Notably, THR can also function with proteins containing disulfide bridges (that is, IFNa and IFNb and mutant IFNg:E30C/S92C), thus showing that their formation seems to occur correctly in T. thermophilus cytoplasm (as was described recently14). The above experiments with IFN mutants, however, were not informative regarding a possible increase in thermoactivity. To assess this, we repeated the THR selection with two enzymes: a lipase (LipA; 20 kDa) and the two-domain formate dehydrogenase (Fdh; 45 kDa), whose coding genes were cloned into pNCK (Supplementary Methods). We carried out the selection at 70 1C on 80 mg/ml kanamycin (LipA) or 150 mg/ml kanamycin (Fdh) plates, on 107-variant libraries obtained using Massive Mutagenesis. We combined five LipA mutations selected by THR in a single enzyme (LipA5x) and compared its thermoresistance and thermoactivity to that of the parental enzyme. The LipA5x mutant was dramatically more thermoactive than its parent, LipA. Whereas the LipA5x mutant was as active at 55 1C as it was at 35 1C, the activity of LipA at 55 1C was 20% of its activity at 35 1C (Supplementary Fig. 2 online). In contrast,

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BRIEF COMMUNICATIONS THR-selection on the Fdh library allowed the isolation of single mutants more active at 60 1C than the parental protein (an example is shown in Supplementary Fig. 3 online). These results confirm that the THR can be also used to isolate mutants with increased thermoactivity. Notably, THR selection can be applied to larger proteins compared to selection of thermostable proteins using Proside, in which there are limitations to the size of the target sequence to select15. Other systems for selection of thermostable mutants like yeast display2 can be also applied to large proteins, but require tools for flow cytometry–based massive selection (that is, antibodies), which are expensive and not always available for every protein. Overall, these data that the THR technology allows a dramatic increase in the range of proteins susceptible to stabilization, requires no a priori knowledge of the protein structure, maximizes the probability of success when looking for thermostable variants and byes the need of fastidious high-throughput screening. As paradigmatic example of this assumption, here we identified several thermostabilizing mutations (C21W, F159C, R162E, R163T) that are found outside of the resolved part of the IFNg crystalline structure and could not have been predicted by rational protein design. Note: Supplementary information is available on the Nature Methods website. ACKNOWLEDGMENTS We thank S. Ble´sa, J. Sylvestre, B. Winter and J.-C. Barale for useful discussions and comments on the manuscript and M.-A. Carric¸o, E. Matthieu and S. Jovelin for their technical help. We acknowledge financial of projects BIO2004-02671 from Ministerio de Educacio´n y Ciencia (MEC), S0505/PPQ/0344 from Comunidad Auto´noma de Madrid to Jose´ Berenguer and an institutional grant from Fundacio´n Ramo´n Areces to the Centro de Biologı´a Molecular Severo Ochoa. E.B.-G. was ed by a fellowship from the MEC.

AUTHOR CONTRIBUTIONS H.C. contributed to design of libraries and construction and selection procedures. E.B.-G. and F.C. contributed to pNCK construction and initial settings and validation of the selection procedures in T. thermophilus. T.M. and L.G.‘M. contributed to interferon and enzyme assays. M.D. and J.B. contributed to THR design and determining experimental settings. COMPETING INTERESTS STATEMENT The authors declare competing financial interests: details accompany the full-text HTML version of the paper at http://www.nature.com/naturemethods/. Published online at http://www.nature.com/naturemethods/ Reprints and permissions information is available online at http://npg.nature.com/reprintsandpermissions 1. Eijsink, V.G., Gaseidnes, S., Borchert, T.V. & van den Burg, B. Biomol. Eng. 22, 21–30 (2005). 2. Shusta, E.V., Kieke, M.C., Parke, E., Kranz, D.M. & Wittrup, K.D. J. Mol. Biol. 292, 949–956 (1999). 3. Shusta, E.V., Holler, P.D., Kieke, M.C., Kranz, D.M. & Wittrup, K.D. Nat. Biotechnol. 18, 754–759 (2000). 4. Bommarius, A.S., Broering, J.M., Chaparro-Riggers, J.F. & Polizzi, K.M. Curr. Opin. Biotechnol. 17, 606–610 (2006). 5. Matsumura, M. & Aiba, S. J. Biol. Chem. 260, 15298–15303 (1985). 6. Waldo, G.S., Standish, B.M., Berendzen, J. & Terwilliger, T.C. Nat. Biotechnol. 17, 691–695 (1999). 7. Maxwell, K.L., Mittermaier, A.K., Forman-Kay, J.D. & Davidson, A.R. Protein Sci. 8, 1908–1911 (1999). 8. Slodowski, O., Bohm, J., Schone, B. & Otto, B. Eur. J. Biochem. 202, 1133–1140 (1991). 9. Waschutza, G. et al. Protein Eng. 9, 905–912 (1996). 10. Saboulard, D. et al. Biotechniques 39, 363–368 (2005). 11. Delcourt, M. & Blesa, S. Method for massive mutagenesis. European patent 1311670 B1 and US patent 7202086 B2 (2001). 12. Cabantous, S. et al. J. Struct. Funct. Genomics 6, 113–119 (2005). 13. Park, C. & Marqusee, S. Nat. Methods 2, 207–212 (2005). 14. Beeby, M. et al. PLoS Biol. 3, e309 (2005). 15. Sieber, V., Pluckthun, A. & Schmid, F.X. Nat. Biotechnol. 16, 955–960 (1998).

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