Transcriptional Regulation of Cell Division and Metal Uptake in Mycoplasma genitalium

Abstract

Mycoplasma genitalium és un patogen humà que es transmet sexualment i causant d’uretritis, cervicitis i inflamació pelviana. Conté el genoma més petit de qualsevol microorganisme capaç d’autoreplicar-se, amb només 580 kb i 500 gens que codifiquen per proteïnes. L’interès en aquest patogen ha anat augmentat durant els darrers anys degut a la seva cada cop major prevalença i l’aparició de soques resistents a múltiples antibiòtics. En aquesta tesi doctoral, analitzem en detall la divisió cel·lular d’aquest microorganisme, així com la seva resposta a l’absència de metalls. Pel que fa a la divisió, M. genitalium conté una versió molt reduïda de l’operó de divisió cel·lular amb només quatre gens: mraZ, mraW, un gen que codifica per una proteïna de funció desconeguda i ftsZ. Els dos primers gens estan molt conservats en el món bacterià, però no hi ha gaire informació sobre el seu rol en la divisió cel·lular. En aquest treball, caracteritzem els mutants de mraZ i mraW i demostrem els defectes de creixement associats a la seva pèrdua. També establim les dinàmiques de FtsZ en aquest microorganisme i observem que hi ha una relació entre la maquinària de motilitat i FtsZ a M. genitalium. Al segon capítol, descrivim la resposta transcripcional d’aquest patogen a la manca de metalls. Caracteritzem un membre de la família de reguladors transcripcionals Ferric Uptake Regulator (Fur) i també detallem els gens que es troben al seu reguló: un gen que codifica per a una lipoproteïna rica en histidines (hrl) i un transportador de metalls de tipus ABC (MG_304, MG_303, MG_302). Definim experimentalment l’operador de Fur: una seqüència palindròmica conservada que es troba a la regió upstream d’aquests gens. A més, detallem una àmplia resposta transcripcional a l’absència de metalls induïda pel quelant 2,2’-Bipyridyl, una resposta que també es produeix al mutant de fur, el que significa que existeixen vies reguladores Fur-independents relacionades amb l’homeòstasi de metalls. Finalment, mostrem a través de ICP-MS que en el mutant defectiu de fur hi ha un increment important de níquel, el que suggereix que aquest regulador pot tenir un rol important en l’adquisició de níquel. En resum, en aquesta tesi doctoral caracteritzem dos vies reguladores importants de M. genitalium associades amb dos processos essencials: la divisió cel·lular i l’adquisició de metalls.

Mycoplasma genitalium es un patógeno humano que se transmite sexualmente y es agente causante de uretritis, cervicitis e inflamación pélvica. Contiene el genoma más pequeño de todos los microorganismos capaces de autoreplicarse, con únicamente 580 kb y 500 genes que codifican para proteínas. El interés en este patógeno ha aumentado recientemente debido a su cada vez más elevada prevalencia y a la aparición de cepas multiresistentes a antibióticos. En esta tesis doctora, analizamos en detalle la división celular de este microorganismo, así como su respuesta a la ausencia de metales. Por lo que respecta a la división, M. genitalium contiene una versión muy reducida del operón de división celular con sólo cuatro genes: mraZ, mraW, un gen que codifica para una proteína de función desconocida y ftsZ. Sobre los dos primeros genes hay poca información disponible sobre su rol en la división, a pesar de que están ampliamente conservados en el mundo bacteriano. En este trabajo, caracterizamos los mutantes de mraZ y mraW y demostramos los defectos en el crecimiento asociados a su pérdida. También establecemos las dinámicas de FtsZ en este microorganismo y observamos que hay una relación entre la maquinaria de motilidad y FtsZ en M. genitalium. En el segundo capítulo, describimos la respuesta transcripcional de este patógeno cuando se enfrenta a la ausencia de metales. Caracterizamos un miembro de la familia de factores de transcripción Ferric Uptake Regulator (Fur) y detallamos los genes que están en su regulón: un gen que codifica para una lipoproteína rica en histidinas (hrl) y un transportador de metales de tipo ABC (MG_304, MG_303, MG_302). También definimos experimentalmente el operador de Fur: una secuencia palindrómica conservada que se encuentra en la región upstream de estos genes. Además, se detalla una amplia respuesta transcripcional a la ausencia de metales inducida por el quelante 2,2'-Bipyridyl, una respuesta que también se produce en el mutante defectivo de fur, con lo cual se evidencia la existencia de vías regulatorias Fur-independientes implicadas en la homeostasis de metales. Finalmente, mostramos a través de ICP-MS que en el mutante de fur hay un incremento importante de níquel, lo que sugiere que este regulador podría tener un rol importante en la adquisición de este metal. En resumen, en esta tesis doctoral caracterizamos dos vías reguladoras importantes de M. genitalium asociadas con dos procesos celular esenciales: la división y la adquisición de metales.

Mycoplasma genitalium is a sexually transmitted human pathogen that causes urethritis, cervicitis and pelvic inflammation. It has the smallest genome of any microorganism capable of self-replication, with only 580 kb and barely 500 protein-coding genes. The interest in this pathogen is rising in recent years due to its increasing prevalence and the appearance of multi-drug resistant strains. In this work, we analyze the cell division of this microorganism as well as its response to a metal depletion stress. Regarding the former, M. genitalium encodes a reduced version of the division and cell wall operon that consists of only four genes: mraZ, mraW, a gene coding for an hypothetical protein and ftsZ. The first two genes are widely conserved among bacteria, but there is little to none information about their role in cell division. In this work, we characterize the mraZ and mraW mutants and we demonstrate the growth defects associated with their deletion. We were also able to establish the FtsZ dynamics in this microorganism and we observed that there is a close relation between the cell motility machinery and FtsZ in M. genitalium. In the second chapter, we assess the transcriptional response of this pathogen to metal starvation. We characterize a member of the Ferric Uptake Regulator (Fur) family of transcription factors in this microorganism and we report the genes in its regulon: a gene coding for a histidine-rich lipoprotein (hrl) and an ABC metal transporter (MG_304-MG_303-MG_302). We are able to describe the Fur operator: a conserved palindromic sequence found in the upstream region of these genes. In addition, we also detail a vast transcriptional response to metal depletion induced by the chelator 2,2'-Bipyridyl even in the mutant that lacks the regulator, demonstrating the existence of Fur-independent regulatory pathways. Finally, we reveal an increased nickel uptake in the fur mutant by ICP-MS, suggesting an important role of this regulator in nickel acquisition. Overall, in this work we are able to characterize two important regulatory networks of the genome-reduced M. genitalium associated with two essential processes: cell division and metal uptake.