Faits: A. A.a. La société A._ Sàrl, qui a son siège à Genève et dont les associés gérants sont H.B._ et F.B._, exploite deux établissements publics, l'un à l'enseigne "U._" et l'autre à l'enseigne "V._" dans l'immeuble sis 9, place R._ à Genève. X._ SA, ayant son siège à Zurich, exploite un restaurant à l'enseigne "W._" dans l'immeuble adjacent, 7, place R._. Le litige qui oppose les parties a pour objet un local de 32 m2 qui se trouve dans l'immeuble 7, place R._, mais qui est utilisé pour les besoins des établissements publics exploités dans le bâtiment situé 9, place R._. A.b. Par contrat du 15 octobre 1999, la société propriétaire de l'immeuble 7, place R._ a cédé, moyennant un loyer et à partir du 1er avril 2000, à Y._ AG, ayant son siège à Zurich, l'usage de diverses surfaces dans l'immeuble précité, comprenant le local litigieux de 32 m2. Par contrat du 6 février 2003, Y._ AG a sous-loué le local de 32 m2 à Z._ SA - qui exploitait alors les établissements publics au 9, place R._ -, dès le 1er février 2003, pour un loyer annuel de 6'000 fr.; il était précisé que la chose louée devait servir de dépôt et de local pour les containers. Par contrat du 7 juin 2004, Z._ SA a transféré le bail de sous-location, avec l'accord de Y._ AG, dès le 1er mai 2004, à A._ Sàrl, F.B._ et H.B._, auxquels ont été remis l'exploitation des établissements publics du 9, place R._. Ainsi, A._ Sàrl, F.B._ et H.B._ (ci-après: les sous-locataires) sont devenus sous-locataires de Y._ AG pour ce local de 32 m2. Par contrat du 23 février 2009, Y._ AG a transféré le bail principal (celui du 15 octobre 1999), avec l'accord de la société propriétaire (bailleresse principale), avec effet dès le 1er mars 2009, à X._ SA, qui a repris l'exploitation du restaurant dans le bâtiment 7, place R._. X._ SA est ainsi devenue la locataire principale du local litigieux de 32 m2. Les sous-locataires ont exprimé leur désapprobation à l'idée que X._ SA se substitue à Y._ AG, ce qui a provoqué une certaine confusion. Dans cette situation, X._ SA et Y._ AG ont chacun adressé des avis de résiliation, datés du 22 octobre 2009, à A._ Sàrl, à H.B._ et à F.B._, le contrat de sous-location devant prendre fin le 31 janvier 2010. Informés du transfert du bail principal par une lettre de l'avocat de Y._ AG du 4 octobre 2010, les sous-locataires se sont depuis lors acquittés des loyers de sous-location en mains de X._ SA. Les sous-locataires se sont opposés aux congés donnés le 22 octobre 2009; ils ont demandé que ceux-ci soient considérés comme nuls, subsidiairement qu'ils soient annulés comme contraires aux règles de la bonne foi, plus subsidiairement qu'une prolongation de bail d'une durée de six ans leur soit accordée. X._ SA et Y._ AG se sont opposées aux prétentions des sous-locataires. A.c. Durant la procédure, des témoins ont été entendus et une inspection des lieux a été effectuée. Il a été retenu que le chiffre d'affaires du restaurant "W._" avait augmenté de 30 à 40% depuis son ouverture en 2000, ce qui avait entraîné une augmentation du volume des déchets; or, le restaurant ne disposait pas d'un local réfrigéré pour les déchets alimentaires, contrairement aux exigences de l'hygiène; par ailleurs, il manquait de places de stockage, ce qui l'empêchait de profiter de certaines actions et de faire des réserves en prévision des jours fériés; en conclusion, il a été admis que cet établissement avait un besoin sérieux du local litigieux. D'un autre côté, il a été aussi admis que les établissements publics exploités par A._ Sàrl avaient également un besoin sérieux des locaux litigieux; produisant leur propre bière - ce qui prend beaucoup de place -, ces établissements, dont les locaux disponibles étaient entièrement occupés, ne pourraient que difficilement trouver des locaux de remplacement dans le voisinage immédiat. B. Saisie du litige, la Commission de conciliation en matière de baux et loyers du canton de Genève, par décision du 22 novembre 2010, a considéré que le congé notifié par Y._ AG (mais non pas celui de X._ SA) était valable et accordé aux sous-locataires une prolongation du bail de six ans. Saisi à son tour, le Tribunal des baux et loyers, par jugement du 24 mai 2012, a considéré au contraire que c'était le congé donné par X._ SA (et non pas par Y._ AG) qui était valable et accordé une prolongation de bail unique de trois ans, échéant le 31 janvier 2013. Saisie d'un appel formé par les sous-locataires dans lequel ceux-ci reprenaient leurs conclusions initiales (auxquelles les parties adverses s'opposaient totalement), la Chambre des baux et loyers de la Cour de justice genevoise, par arrêt du 3 décembre 2012, a confirmé le jugement entrepris. C. Les sous-locataires exercent un recours en matière civile au Tribunal fédéral. Invoquant l'arbitraire dans l'appréciation des preuves et l'établissement des faits, ainsi qu'une violation des art. 271, 272 et 263 CO, ils concluent à l'annulation de l'arrêt attaqué et à la constatation de la nullité des congés notifiés le 22 octobre 2009, " si mieux n'aime " à leur annulation, subsidiairement au renvoi de la cause à la cour cantonale, plus subsidiairement encore à l'octroi d'une prolongation de bail de six ans. Les deux intimées proposent le rejet du recours, subsidiairement la fixation d'une prolongation de bail d'une durée adéquate. Les parties ont répliqué et dupliqué.