Implicación del sistema SOS y de la proteína RecA en el proceso infectivo de Salmonella enterica sv. Typhimurium

Abstract

El sistema SOS es una respuesta génica global muy extendida dentro del dominio Bacteria que se induce en presencia de lesiones en el DNA y permite la reparación del material genético y la supervivencia celular. La activación del sistema SOS no sólo genera un aumento en la expresión de genes que codifican las proteínas reguladoras del sistema, LexA (represor transcripcional) y RecA (proteína activadora), o de otros genes involucrados en procesos de reparación del DNA, recombinación o inhibición de la división celular. La activación del sistema SOS también está asociada a la expresión de toxinas, la inducción del ciclo lítico de profagos residentes, la expresión y diseminación de resistencias a antibióticos y la transferencia horizontal de islas de patogenicidad y elementos conjugativos. Todo ello sugiere la implicación del sistema SOS en el desarrollo del proceso infectivo. Asimismo, mutantes defectivos en el gen recA de diversos patógenos bacterianos son atenuados, demostrando la importancia de la proteína activadora del sistema en la virulencia. Sin embargo, además de actuar como activadora del sistema SOS, RecA es la principal responsable de los procesos de recombinación homóloga. Esta doble función de la proteína RecA ha impedido establecer si es la incapacidad para inducir la respuesta SOS o la incapacidad para realizar recombinación homóloga la responsable de la atenuación de los mutantes defectivos en recA. Por este motivo, el objetivo principal de este trabajo ha sido determinar el papel del sistema SOS y de la proteína RecA en el proceso infectivo de Salmonella enterica sv. Typhimurium (S. Typhimurium), uno de los principales agentes causales de toxiinfección alimentaria a nivel mundial. Los resultados obtenidos en este estudio demuestran que la sobreexpresión de recA genera un descenso significativo en la capacidad infectiva de este patógeno, lo que indica que durante la infección por S. Typhimurium es necesario el mantenimiento de unos niveles basales de expresión de dicho gen. Asimismo, las pruebas realizadas demuestran que la sobreexpresión de recA genera un descenso en la capacidad para invadir células epiteliales y para traspasar el epitelio intestinal, dos procesos esenciales para que S. Typhimurium pueda establecerse en el intestino y causar infección. De igual modo, este trabajo demuestra que la acumulación de proteína RecA en el interior celular inhibe el movimiento en enjambre (o swarming), un movimiento poblacional sobre superficies semisólidas asociado a la capacidad de numerosos patógenos, entre ellos S. enterica, para invadir tejido epitelial. Esta inhibición tiene lugar a través de la interacción de la proteína RecA con la proteína CheW, implicada en la ruta de señalización de quimiotaxis asociada a este movimiento. Por lo tanto, los resultados de este trabajo añaden el movimiento poblacional a la lista de procesos celulares conocidos que se asocian al sistema SOS y confieren una nueva función a este sistema y a la proteína RecA como reguladores de dicho movimiento en S. Typhimurium. De este modo, la inducción de la respuesta SOS en entornos lesivos para el DNA inhibe el movimiento en enjambre e impide el acercamiento de las células a entornos con concentraciones mayores de compuestos lesivos.

The SOS response is a wide-spread regulatory network in the Bacteria domain. Induction of this response occurs in the presence of DNA lesions and it is targeted to address DNA damage and to allow cell survival. The induction of the SOS response causes an increase in the expression of the genes encoding for the system regulatory proteins, LexA (the transcriptional repressor) and RecA (the activator protein), and an increase in the expression of other genes involved in DNA repair processes, homologous recombination and inhibition of cell division. But the induction of the SOS response is also associated with the expression of toxins, the induction of the lytic cicle of resident prophages, the expression and horizontal dissemination of antibiotic resistances, and the horizontal dissemination of pathogenicity islands and integrating conjugative elements. These data suggest that the SOS system plays a key role during the infection process. Moreover, recA mutants of several pathogenic bacteria are avirulent. This demonstrates that the SOS activator is involved in virulence. However, besides acting as the activator of the SOS system, RecA is primarily responsible for the homologous recombination processes. Due to the dual role of the RecA protein, the decrease in virulence of the recA mutants may be attributed either to the reduction of the recombination frequency, or to the inhibition of the SOS system induction, or to both processes. The aim of this work is to elucidate the role developed by the SOS system and by the RecA protein during the infection process of Salmonella enterica sv. Typhimurium (S. Typhimurium), one of the most important pathogens causing foodborne outbrakes in the world. The results obtained in this work show that the overexpression of the recA gene causes a significant decrease in the fitness of this pathogen. Thus, the expression of this gene must remain at its basal level during the infection process developed by S. Typhimurium. Moreover, the overexpression of the recA gene causes a decrease in the ability of this pathogen to invade epithelial cells and to pass through the intestinal epithelium, two essential processes allowing S. Typhimurium to cause the infection. Furthermore, this work demonstrates that the increase in the intracellular concentration of the RecA protein inhibits swarming motility, a multicellular movement over semisolid surfaces associated with the ability of several pathogens, including S. enterica, to invade epithelial cells. This inhibition is caused by the interaction between the RecA protein and the CheW protein, which is associated to the chemotaxis system. The results exposed in this work increase the number of known cellular processes that are associated to the SOS response, conferring a new role on this system and on the RecA protein as regulators of swarming motility in S. Typhimurium. In this context, the induction of the SOS response in the presence of DNA damaging compounds inhibits this kind of motility, avoiding the exposure of the cells to even higher concentrations of such compounds.