Estudi del genoma de Streptomyces coelicolor A3(2)

1
Estudi del genoma de Streptomyces coelicolor A3(2)

• Marcella Vidal Gabarró
• Mòdul Genòmica i Proteòmica
• Màster en Biotecnologia Avançada, UAB
• Juny 2011

2
Continguts de la presentació

• Introducció al microorganisme
• Descripció
• Característiques generals
• Cicle vital
• Importància de la seqüenciació del seu genoma
• Estructura del genoma
• Com es va seqüenciar?
• Característiques del genoma
• Comparació amb dos microorganismes Mycobacterium
  tuberculosis i Conerybacterium diphtheriae
• Estudi del proteoma
• Característiques del proteoma
• Conclusions

3
Introducció al microorganisme
Descripció. Característiques generals

• El gènere Streptomyces pertany a la família
  Streptomycetaceae, dins lordre Actinomicetals.
• Bacteris grampositius dalt contingut en GC.
• El seu hàbitat natural és el sòl. En aquest
  hàbitat en són els més nombrosos i ubiquos.
• Ampli rang metabòlic per a degradar nombroses
  substàncies.
• Capaços de degradar substàncies com la
  lignocellulosa o la quitina.
• Importants pel reciclatge del carboni al sòl.

Shephard et al.
4
Introducció al microorganisme
Descripció. Cicle vital

• Cicle vital complex.
• Germinació de lespora que forma un tub germinal.
• Formació duna matriu hifal que donarà lloc al
  micelli. Cèlules no septades, multinucleades.
• Inici de la degradació de nutrients que serviran
  per desenvolupar el micelli aeri.
• Enrotllament de les hifes.
• Formació de septes que donen lloc a les espores.
  Cèllules uninucleades.

Hopwood et al.
5
Introducció al microorganisme
Importància de la seqüenciació del seu genoma

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

Hopwood et al.
6
Introducció al microorganisme
Importància de la seqüenciació del seu genoma

• Productor daltres substàncies interessants per a
  la indústria com
• Agents antitumorals
• Immunosupressors
• Herbicides
• Insecticides
• Antiparàsits
• Antifúngics
• Etc.

7
Hopwood et al.
8
Hopwood et al.
9
Introducció al microorganisme
Importància de la seqüenciació del seu genoma

• Interessant i complex metabolisme secundari i
  sistema de secreció.
• Proper filogenèticament als microorganismes
  causants de la tuberculosi i de la lepra
  (Mycobacterium tuberculosis i Mycobacterium
  leprae).
• Comparació genomes dun microorganisme GRAS i
  dun microorganisme causant duna malaltia.
• Extracció de conclusions i predicció dels
  possibles gens causants de la virulència
  daquests microorganismes.

10
Introducció al microorganisme
Importància de la seqüenciació del seu genoma

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

11
Estructura del genoma
Com es va seqüenciar?

• Seqüenciació de 325 clons solapats
• 305 còsmids.
• 1 plasmidi terminal pLUS221.
• 19 clons seleccionats dentre 3456 BACs.
• Predicció proteïnes ? BLAST all-against-all.
• Composició de les famílies ? ClustalW.

12
Estructura del genoma
Característiques del genoma

• Cromosoma lineal.
• OriC situat al centre del cromosoma.
• Seqüències terminals repetides invertides (TIRs)
  als extrems que porten proteïnes unides
  covalentment als extrems 5 lliures.
• Replicació bidireccional.

13
Estructura del genoma
Característiques del genoma

• Mida total 8.667.507 bp.
• Gairebé el doble del genoma dE. coli.
• TIRs 21.653 bp.
• GC 72
• Seqüències codificants 7.825 gens.

Lin Xu et al.

• Més de 20 clusters predits que codifiquen per
  metabolits secundaris.
• OriC 4.269.853 4.272.747bp.

Bentley et al.
14
Estructura del genoma
Característiques del genoma

• Densitat genètica bastant uniforme al llarg del
  genoma.
• Lleugera disminució als
• extrems.
• Divisió del genoma en tres parts
• Core central (blau fort)? 4.9Mb
• Divisió cellular.
• Replicació DNA.
• Transcripció i traducció.
• Biosíntesi daminoàcids.
• Braç esquerre (blau cel) ? 1,5Mb
• Braç dret (blau cel) ? 2,3Mb
• Metabolits secundaris.
• Exoenzims hidrolítics.
• Conservons (operons conservats).
• Proteïnes de vesícules gaseoses.

Bentley et al.
15
1 2
Cercles 1 i 2 BLACK ? Energy metabolism. RED ?
Info transfer and secondary metabolism. DARK
GREEN ? Molècules associades a la
superfície. CYAN ? Degradació de molècules
llargues. MAGENTA ? Degradació de petites
molècules. YELLOW ? Metabolisme central o
intermediari. PALE BLUE ? Reguladors. ORANGE ?
Hipotèticament conservats. BROWN ?
Pseudogens. PALE GREEN ? Unknown. GREY ?
Micelliars.
16
Cercle 3 Gens essencials per a la viabilitat
cellular. Densitat de gens més elevada al core
del cromosoma. Cercle 4 Gens contingency RED
? Metabolisme secundari. PALE BLUE ?
Exoenzims DARK BLUE ? Conservons. DARK GREEN ?
Proteïnes de les vesícules gaseoses. Cercle
6 Contingut en GC.
3 4
6
17
Estructura del genoma
Comparació amb dos microorganismes Mycobacterium
tuberculosis i Conerybacterium diphtheriae

• Cicle vital molt diferent
• Gran similitud a nivell individual
• Seqüències de gens
• Clusters de gens

• Elevada sintènia
• La comparació genòmica revela la broken-X, molt
  comuna en la comparació de genomes de bacteris
  propers filogenèticament.
• Trencament atribuït a les regions que envolten
  loriC.

Bentley et al.
18
Estructura del genoma
Comparació amb dos microorganismes Mycobacterium
tuberculosis i Conerybacterium diphtheriae

• La part compartida és la que correspon al core ?
  Antecessor comú!
• Els braços de Streptomyces van ser adquirits a
  posteriori.
• Les regions sintèniques són, bàsicament, dels
  gens de funcions cellulars primàries.

19
Estructura del genoma
Comparació amb dos microorganismes Mycobacterium
tuberculosis i Conerybacterium diphtheriae

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

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

Bentley et al.
20
Estructura del proteoma
Característiques del proteoma

• 7.825 gens predits ? Enorme potencial codificant

Predicted genes
Streptomyces coelicolor Streptomyces coelicolor 7.825
Escherichia coli Escherichia coli 4.289
Bacillus subtilis Bacillus subtilis 4.099
Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces cerevisiae 6.203
Humans Humans 31.780

• Proteïnes extres relacionades principalment
  amb
• Regulació
• Transport i degradació de nutrients
  extracellulars

21
Estructura del proteoma
Característiques del proteoma
Bentley et al.
22
Estructura del proteoma
Característiques del proteoma

• Seqüències reguladores ? 12,3
• Resposta a estrès cellular
• Factors sigma, sensors quinasa, parelles
  sensor-regulador, etc.
• Destaquen
• 44 possibles proteïnes quinases serina/threonina,
  típiques eucariotes.
• 25 possibles proteïnes dunió al DNA que NO shan
  descrit anteriorment i que podrien ser
  específiques de Streptomyces.
• Proteïnes transportadores ? 7,8
• Necessàries per la interacció del microorganisme
  amb lentorn.
• Transportadors de sucres, aminoàcids, pèptids,
  metalls, altres ions, etc.

23
Estructura del proteoma
Característiques del proteoma

• Proteïnes secretades ? 10,5
• Necessàries per a lexplotació dels nutrients del
  sòl.
• Proteases, quitinases, cellulases,
  endogluconases, amilases, pectat liases.
• També conté el sistema de translocació proteic
  Sec i TAT (Twin Arginine Transport) per al
  transport de proteïnes pre-plegades.
• 13 conservons (operons molt conservats)
• Clusters relacionats amb la formació de vesícules
  de gas de Halobacterium sp.

24
Estructura del proteoma
Característiques del proteoma

• Enzims paràlegs
• Importants perquè donaran lloc a isoenzims que
  sexpresserant diferencialment segons el moment
  del cicle vital.
• 2 clusters per la via de les pentoses fosfat
• 4 loci per a la biosíntesi del triptòfan
• 5 homòlegs de fabH (cetosintasa relacionada amb
  la síntesi de lípids de membrana)
• 3 clusters de la 4ª subunitat de la nitrat
  reductasa
• Còpia parcial de les subunitats de la cadena
  respiratòria

25
Estructura del proteoma
Gens del metabolisme secundari

• Metabolisme secundari
• 18 clusters que codifiquen per enzims
  característics per al a producció de metabolits
  secundaris.
• Distribució daquests clusters en els braços del
  genoma.

26
Conclusions

• Streptomyces coelicolor A3(2) té un genoma molt
  desenvolupat i evolucionat.
• Adquisició de la capacitat de replicar de forma
  lineal.
• Expansió del genoma de forma lateral ? Adquisió
  dels braços.

27
Conclusions

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

28
Conclusions

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

29
Bibliografia

• Bentley S D. et al. Complete genome sequence of
  the model actinomycete Streptomyces coelicolor
  A3(2). Nature, VOL 417, 141-147 (2002).
• Kieser T, Bibb MJ, Buttner MJ, Chater KF, Hopwood
  DA. Practical Streptomyces Genetics (Innes
  Foundation, Norwich), (2000).
• Lin Xu et al. Average gene length is highly
  conserved in prokaryotes and eukaryotes and
  diverges only between the two kingdoms. Molecular
  Biology and Evolution 23(6) 1107-1108 (2006).
• Serrà M. Producció dun antibiòtic híbrid per
  fermentació amb cèllules lliuresi immobilitzades
  de Streptomyces lividans TK21. Tesi doctoral
  (1994).
• Shepherd M D. et al. Laboratory Maintenance of
  Streptomyces species. Curr Protoc Microbiol.
  (2010).