Study of a master regulator of recombination in Mycoplasma genitalium

Abstract

Mycoplasma genitalium és un petit patogen humà causant d’uretritis no gonocòccica, cervicitis i algunes malalties d’inflamació pèlvica. Té un dels genomes més petits trobats en un organisme viu autònom i, per aquest motiu, ha esdevingut un model bacterià d’estudi d’una cèl·lula mínima. A més a més, aquest petit patogen presenta un mecanisme únic de variació antigènica que depèn de la recombinació homòloga entre les adhesines principals i elements repetits del genoma que es troben dispersos al llarg del cromosoma. Tot i que M. genitalium va ser un dels primers microorganismes que fou seqüenciat, es tenen molt poques dades del seu reduït circuit genètic i de la seva regulació gènica. Per altra banda, els mecanismes que regulen el procés de variació antigènica són desconeguts tot i ser essencial per a l’evasió immune i la persistència de la infecció. En aquesta tesi doctoral, hem estudiat el rol de la proteïna MG428 (20), la qual es tracta d’un factor sigma alternatiu d’aquest petit bacteri. La proteïna MG428 reconeix una zona promotora nova i activa la transcripció d’un reguló petit format per gens que codifiquen per enzims de recombinació clau, gens que codifiquen per proteïnes hipotètiques i també regions no codificants de funció desconeguda. A més a més, anàlisis de cèl·lules individuals han confirmat que l’activació via 20 només té lloc en un percentatge petit de la població al mateix temps i també mostren una certa associació espacial entre cèl·lules activades per 20. L’activitat d’aquest factor sigma alternatiu és crucial per a la capacitat de recombinació de M. genitalium i per a la generació de variants genètiques dels antígens majoritaris d’aquest bacteri. En aquesta tesi, també ens hem centrat en l’estudi de la regulació de l’activitat de 20 per part de dues proteïnes no caracteritzades fins ara, anomenades RrlA i RrlB en aquest treball (recombination regulatory loci). Aquests reguladors es troben sota el control transcripcional de MG428 i estabilitzen la proteïna 20, permetent d’aquesta manera el progrés d’un cicle de retroalimentació positiva que és essencial per a la correcta activació del reguló de 20. Mutants tant de la proteïna RrlA com de la RrlB presenten deficiències de recombinació semblants al mutant defectiu de MG_428. Finalment, hem descrit una transferència horitzontal de DNA sense precedents entre soques de M. genitalium diferents. Aquesta transferència té lloc des d’una cèl·lula donadora que sobreexpressa 20 cap a una cèl·lula receptora mitjançant la recombinació homòloga. En resum, en aquesta tesi doctoral hem presentat un nou regulador transcripcional de la recombinació a M. genitalium que promou la variació antigènica mitjançant l’activació de la transcripció d’un reguló únic. La proteïna 20 també permet l’activació d’un sistema de transferència horitzontal de gens poc ortodox que pot tenir un rol clau en l’evolució i adaptació d’aquests petits patògens.

Mycoplasma genitalium is a small human pathogen that causes non-gonococcal urethritis, cervicitis and several pelvic inflammatory diseases. It bears one of the smallest genomes in an autonomous living organism and, for this reason, it has become a bacterial model for a minimal cell. Moreover, this small pathogen has a singular mechanism for antigenic variation that relies on the homologous recombination between the main adhesins and genomic repeats scattered around the chromosome. Despite that M. genitalium was one of the first microorganisms to be fully sequenced, very little is known of its reduced genetic circuitry and gene regulation. Besides, the regulatory mechanisms controlling the antigenic variation process are obscure notwithstanding it is essential for immune evasion and persistence. In this doctoral thesis, we have studied the role of the MG428 protein (20), which is an alternative sigma factor of this small bacterium. MG428 recognizes a novel promoter sequence and activates transcription of a small regulon composed by genes coding for key recombination enzymes, genes coding for hypothetical proteins and also non-coding regions with unknown function. Moreover, single cell analyses confirmed that activation via 20 only takes place in a small subset of the population at the same time and showed a certain spatial association between 20-activated cells. The activity of this alternative sigma factor is crucial for the recombination capacity displayed by M. genitalium and the generation of genetic variants of the main antigens in this bacterium. In this thesis, we have also focused on the regulation of 20 activity by two uncharacterized proteins, named RrlA and RrlB (recombination regulatory loci). These regulators are under the transcriptional control of MG428 and stabilize 20 protein, allowing the progression of a feed-forward loop required for the activation of the 20 regulon. Mutants of either rrlA or rrlB have similar recombination deficiencies as observed in an MG_428 null mutant. Finally, we have observed an unprecedented horizontal transfer of DNA between two different M. genitalium strains. DNA transfer occurs from a donor cell overexpressing 20 to a recipient cell by means of homologous recombination. Overall, in this doctoral thesis we have shown a novel transcriptional regulator of recombination in M. genitalium that promotes antigenic variation through the activation of transcription of a unique regulon. 20 can also activate an unorthodox horizontal gene transfer system that may play a key role in the evolution and adaptation of these small pathogens.