Caulobacter crescentus

Caulobacter crescentus é unha especie de bacterias gramnegativas, oligotróficas amplamente distribuídas en augas de lagos e correntes. Caulobacter é un importante organismo modelo para estudar a regulación do ciclo celular, división celular asimética, e diferenciación celular. As células fillas de Caulobacter presentan dúas formas moi diferentes. Unha das células fillas é unha célula móbil "nadadora" que ten un só flaxelo nun polo celular que lle permite nadar e moverse por quimiotaxe. As outras células fillas, chamadas células "pedunculadas" ou con talo que presentan un talo de estrutura tubular que sae dun polo que ten un material adhesivo no seu extremo, grazas ao cal estas células pedunculadas poden adherirse ás superficies. As células nadadoras diferéncianse a células pedunculadas despois dun curto período de motilidade. A replicación do cromosoma e a división celular só ocorre no estado de célula pedunculada. O seu nome débese a que ten talo (caulo) e forma de crecente (crescentus). A crescentina é unha proteína que lle fai adoptar a súa forma.

 Cepas 
No laboratorio, os investigadores distinguen entre C. crescentus cepa CB15 (a cepa illada orixinalmente da auga doce de lagos) e a cepa NA1000 (a cepa experimental principal). Na cepa NA1000, que derivou da cepa CB15 na década de 1970, as cepas pedunculadas e as células predivisionais poden ser separadas fisicamente no laboratorio a partir de células nadadoras, mentres que os tipos de células da cepa CB15 non poden ser separadas fisicamente. As células nadadoras illadas poden despois crecer como un cultivo de células sincronizadas. Un estudo detallado do desenvolvemento molecular destas células a medida que progresan no ciclo celular permite aos investigadores comprender a regulación do ciclo celular de Caulobacter con grande detalle. Debido a que esta capacidade está fisicamente sincronizada, a cepa NA1000 converteuse na cepa experimental predominante de Caulobacter en todo o mundo. Foron acumulándose diferenzas fenotípicas adicionais entre as dúas cepas debido a presións selectivas sobre a cepa NA1000 no ambiente de laboratorio. As bases xenéticas das diferenzas fenotípicas entre as dúas cepas orixínanse por polimorfismos de inserción/deleción, reguladores e codificantes en cinco loci cromosómicos. "C. crescentus" é sinónimo de "Caulobacter vibrioides".

 Xenómica 
O xenoma de Caulobacter CB15 ten 4 016 942 pares de bases nun só cromosoma circular que codifica 3.767 xenes. O xenoma contén moitos clusters de xenes que codifican proteínas esenciais para a supervivencia nun hábitat pobre en nutrientes. Tamén inclúe xenes implicados na quimiotaxe, o funcionamento dos canais da membrana externa, a degradación de compostos cíclicos aromáticos, e a degradación de fontes de carbono de orixe vexetal, ademais de moitos factores sigmas con funcións extracitoplasmáticas, que lle dan a capacidade de responder a un amplo rango de flutuacións ambientais. En 2010, secuenciouse o xenoma da cepa Caulobacter NA1000 e identificáronse todas as diferenzas coa cepa CB15 de "tipo salvaxe".

 Papel do estado de células nadadoras 
O estado de células pedunculadas de Caulobacter ten unha vantaxe na eficacia biolóxica ao fixar a célula a superficies para formar biofilmes e para explotar fontes de nutrientes. Xeralmente, as especies bacterianas que se dividen máis rápido son máis efectivas á hora de explotar fontes e ocupar efectivamente nichos ecolóxicos. Porén, Caulobacter ten tamén un estadio de células nadadoras que ten un crecemento de poboación máis lento, pero crese que este estado móbil proporciona á célula maior dispersión, polo que o organismo pode constantemente ir na procura de novos ambientes. Isto pode ser particularmente útil en ambientes moi limitados en nutrientes cando os escasos recursos dispoñibles poden diminuír rapidamente. Moitas, probablemente a maioría, das células fillas nadadoras non encontran un ambiente produtivo, pero o estadio disperso obrigado debe incrementar a eficacia biolóxica reprodutiva da especie no seu conxunto.

 Ciclo celular 
O sistema regulador do ciclo celular de Caulobacter controla moitos subsistemas modulares que organizan a progresión do crecemento celular e a reprodución. Un sistema de control construído usando circuitería lóxica xenética e bioquímica organiza a temporización da iniciación de todos os subsistemas. A característica central da regulación do ciclo celular é un circuíto xenético cíclico (un motor do ciclo celular) que está centrado en sucesivas interaccións de cinco proteínas reguladoras mestras, que son: DnaA, GcrA, CtrA, SciP, e CcrM.Tan MH, Kozdon JB, Shen X, Shapiro L, McAdams HH. An essential transcription factor, SciP, enhances robustness of Caulobacter cell cycle regulation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Nov 2;107(44):18985-90. doi: 10.1073/pnas.1014395107. Epub 2010 Oct 18. Estas cinco proteínas controlan directamente a temporización da expresión duns 200 xenes. As catro proteínas reguladoras mestras son sintetizadas e despois eliminadas da célula unha detrás da outra ao longo do curso do ciclo celular. Son tamén esenciais varias vías de sinalización celular adicionais para o funcionamento correcto deste motor do ciclo celular. O principal papel destas vías de sinalización é asegurar a produción fiable e a eliminación da proteína CtrA da célula xusto nos momentos axeitados do ciclo celular.

Unha característica esencial do ciclo celular de Caulobacter é que o cromosoma se replica unha soa vez en cada ciclo celular. Isto está en contraste co ciclo celular de E. coli onde pode haber roldas solapadas de replicación dos cromosomas que se dan simultaneamente. Os papeis opostos exercidos polas proteínas DnaA e CtrA de Caulobacter son esenciais para o estrito control da replicación do cromosoma de dita bacteria. A proteína DnaA actúa sobre a orixe de replicación para iniciar a replicación do cromosoma. A proteína CtrA, polo contrario, actúa bloqueando a iniciación da replicación, polo que debe ser eliminada da célula antes de que poida empezar a replicación do cromosoma. Moitas vías reguladoras adicionais integrais á regulación do ciclo celular, que implican tanto vías de fosfosinalización coma o control regulado da proteólise das proteínas, actúan asegurando que están presentes a DnaA e a CtrA na célula nos momentos en que se precisan.

Cada proceso activado polas proteínas do motor do ciclo celular implica unha fervenza de moitas reaccións. A fervenza do subsistema máis longo é a da replicación do ADN. Nas células de Caulobacter, a replicación do cromosoma supón uns dous millóns de reaccións de síntese de bases do ADN por cada rama do cromosoma en 40 a 80 minutos dependendo das condicións. O tempo medio para cada reacción de síntese individual pode estimarse a partir do tempo total medio observado para replicar o cromosoma, pero o tempo de reacción real de cada reacción varía moito con respecto ao tempo medio. Isto leva a unha significativa e inevitable variación do tempo empregado polas células para completar a replicación do cromosoma. Hai unha variación aleatoria similar na velocidade de progresión de todas as outras fervenzas de reaccións dos subsistemas. O efecto neto é que o tempo para completar o ciclo celular varía amplamente nas células dunha poboación mesmo cando están crecendo todas nas mesmas condicións ambientais. A regulación do ciclo celular inclúe sinais de retroalimentación que axustan o ritmo da progresión do motor do ciclo celular para facelo coincidir co progreso dos eventos a nivel do subsistema regulador en cada célula particular. Esta organización do sistema de control, cun controlador (o motor do ciclo celular) que dirixe un sistema complexo, con modulación dos sinais de retroalimentación a partir do sistema controlado, crea un sistema de control en bucle pechado.

A velocidade de progresión do ciclo celular é axustada ademais por sinais adicionais que proceden de sensores celulares que monitorizan as condicións ambientais (por exemplo, os niveis de nutrientes ou de oxíxeno) ou o status interno da célula (por exemplo, presenza de danos no ADN).

 Conservación evolutiva do sistema de control do ciclo celular 
A circuitería de control que dirixe e marca o ritmo da división do ciclo celular de Caulobacter implica que toda a célula opere como un sistema integrado. A circuitería de control monitoriza as condicións ambientais e o estado interno da célula, incluíndo a topoloxía da célula, xa que orquestra a activación dos subsistemas do ciclo celular e a división celular asimétrica de Caulobacter crescentus. As proteínas do sistema de control do ciclo celular de Caulobacter e a súa organización interna foron conservados en moitas especies de alfaproteobacterias, pero existen grandes diferenzas nas distintas especies na funcionalidade do aparato regulador e a conectividade periférica con outros subsistemas celulares.McAdams HH, Shapiro L. The architecture and conservation pattern of whole-cell control circuitry. J Mol Biol. 2011 May 27;409(1) 28-35. Brilli M, Fondi M, Fani R, Mengoni A, Ferri L, Bazzicalupo M, Biondi EG. The diversity and evolution of cell cycle regulation in alpha-proteobacteria: a comparative genomic analysis. BMC Syst Biol. 2010 Apr 28;4:52.  O sistema de control do ciclo celular de Caulobacter foi optimizado exquisitamente pola selección natural na evolución como un sistema total para que opere de forma robusta en medio do ruído estocástico interno e a incerteza ambiental.

O sistema de control da célula bacteriana ten unha organización xerárquica. A sinalización e o subsistema de control comunícanse co seu ambiente por medio de módulos sensoriais situados fundamentalmente na superficie celular. A lóxica da rede xenética responde a sinais que se reciben do ambiente e de sensores do estado interno da célula para adaptar a célula ás condicións do momento. Unha función importante do control de nivel superior é asegurar que as operacións implicadas no ciclo celular ocorren na orde temporal axeitada. En Caulobacter, isto realízase polo circuíto xenético regulador composto por cinco reguladores mestres e unha rede asociada de fosfosinalización. A rede de fosfosinalización monitoriza o estado de progresión do ciclo celular e xoga un papel esencial na división celular asimétrica. O sistema de control do ciclo celular axusta o tempo e o lugar da iniciación da replicación do cromosoma e a citocinese e o desenvolvemento dos orgánulos polares. Os mecanismos para a produción de proteínas e compoñentes estruturais e produción de enerxía subxacen a todas estas operacións. Os subsistemas metabólicos de mantemento e os catabólicos proporcionan a enerxía e a materia prima molecular para a síntese de proteínas, a construción da parede celular e outras operacións celulares. As funcións de mantemento están acopladas bidireccionalmente ao sistema de control do ciclo celular. Porén, poden adaptarse, con certa independencia da lóxica de control do ciclo celular, aos cambios na composición e niveis das fontes de nutrientes dispoñibles.

As proteínas do sistema de control do ciclo celular de Caulobacter están moi conservadas entre as alfaproteobacterias, pero a función última deste sistema regulador varía amplamente nas distintas especies. Estes cambios evolutivos reflicten as enormes diferenzas entre as diferentes especies nas estratexias de eficacia biolóxica e ocupación de nichos ecolóxicos. Por exemplo, Agrobacterium tumefaciens é unha bacteria patóxena de plantas, Brucella abortus é un patóxeno de animais, e Sinorhizobium meliloti é unha bacteria do solo que invade e faise simbionte en nódulos das raíces de plantas que fixan o nitróxeno, pero a maioría das proteínas para o control do ciclo de Caulobacter atópanse tamén nestas especies tan diversas. O acoplamento específico entre os compoñentes proteicos da rede de control do ciclo celular e a lectura augas abaixo do circuíto difiren de especie a especie, aínda que o patrón común é que a funcionalidade interna da circuitería da rede está conservada.

 Envellecemento de Caulobacter 
Caulobacter foi a primeira bacteria asimétrica que se viu que envellece. A senescencia reprodutiva mediuse como o declive no número de proxenie producida ao longo do tempo. Desde entón, describiuse un fenómeno similar na bacteria Escherichia coli, aínda que dá lugar a células fillas morfoloxicamente similares.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Ligazóns externas 
 Caulobacter crescentus 
 A bacteria que produce o adhesivo natural máis forte

Categoría:Proteobacterias