RNAs reguladores de cianobacterias

La secuenciación de alto rendimiento de genotecas de cDNA (RNA-Seq) ha revolucionando nuestra visión de la complejidad del transcriptoma bacteriano al revelar la presencia de numerosos RNAs pequeños no codificantes (sRNAs), así como una abundante transcripción antisentido. Los RNAs no codificantes se reconocen actualmente como reguladores post-transcripcionales de prácticamente todos los aspectos de la fisiología bacteriana, siendo elementos esenciales de los circuitos reguladores operados por la mayoría de los factores de transcripción conocidos. Las cianobacterias fotosintéticas son un grupo de organismos con un metabolismo muy versátil, unos requerimientos nutricionales mínimos y una enorme capacidad de adaptación a entornos cambiantes. Así por ejemplo, su “nutriente” fundamental, la luz del sol, está sometido a ciclos diarios de luz y oscuridad así como a cambios de intensidad que dependen de la hora del día o de la época del año. Además, las cianobacterias más complejas como Nostoc sp., nuestro organismo modelo, son capaces de llevar a cabo diversos procesos de diferenciación celular. Uno de ellos, la diferenciación de heterocistos (células especializadas en la fijación de nitrógeno atmosférico), tiene lugar en respuesta a la carencia de nitrogeno combinado.
Nuestro trabajo se centra en el estudio de los procesos de adaptación a estrés nutricional de carencia de nitrógeno, incluyendo la diferenciación de heterocistos, desde la perspectiva de la participación de moléculas de RNA reguladoras. Para ello aplicamos acercamientos globales, incluyendo análisis transcriptómico de la respuesta a estrés nutricional mediante RNA-Seq (Mitschke et al, 2011), o el diseño de algoritmos para la predicción de sRNAs en genomas cianobacterianos (Brenes-Álvarez et al., 2016). Nuestros estudios nos están permitiendo identificar y analizar el papel de pequeños RNAs que forman parte del regulón NtcA, el regulador global de la asimilación de nitrógeno en cyanobacterias (por ejemplo NsiR4, Klähn et al., 2015), o del regulón HetR, un regulador específico de la diferenciación de heterocistos (por ejemplo NsiR1, Ionescu et al., 2010). Como se muestra en la imagen, NsiR1 es un marcador muy temprano de la diferenciación de heterocistos (Muro-Pastor 2014). 

 

La diferenciación de heterocistos (células marcadas con asteriscos blancos) implica patrones transcripcionales exclusivos de estas células especializadas en la fijación de nitrogeno atmosférico. La imagen de microscopía confocal muestra la expresion de la proteina verde fluorescente desde el promotor de NsiR1, un pequeño RNA no codificante cuya expresion se inicia en estadios muy tempranos de la diferenciación (célula marcada con asterisco rojo). 

 

Nuestro trabajo se lleva a cabo en colaboración con los grupos de Wolfgang R. Hess (Genetics and Experimental Bioinformatics, University of Freiburg, Alemania) y José I. Jiménez-Zurdo (Estación Experimental del Zaidín, CSIC). 

Ver aquí un resumen de nuestra actividad en el SEM@foro de la Sociedad Española de Microbiología (SEM).

Ministerio de Ciencia e Innovación (BFU2010-14821)
Ministerio de Economía y Competitividad (BFU2013-48282-C2-1-P)
Ministerio de Economía, Industria y Competitividad (BFU2016-74943-C2-1-P)

  • Álvarez-Escribano, I., Vioque, A. and Muro-Pastor A. M. (2018) NsrR1, a nitrogen stress-repressed sRNA, contributes to the regulation of nblA in Nostoc sp. PCC 7120. Front. Microbiol. 9, 2267.
    doi: 10.3389/fmicb.2018.02267
  • Hou, S., Brenes-Álvarez, M., Reinmann, V., Alkhnbashi, O. S., Backofen, R., Muro-Pastor, A. M., and Hess, W. R. (2018) CRISPR-Cas systems in multicellular cyanobacteria. RNA Biology.
    doi: 10.1080/15476286.2018.1493330
  • Muro-Pastor, A.M., Brenes-Álvarez, M., and Vioque, A. (2017). A combinatorial strategy of alternative promoter use during differentiation of a heterocystous cyanobacterium. Environ. Microbiol. Rep. 9: 449-458.
    doi: 10.1111/1758-2229.12555
  • Brenes-Álvarez, M., Olmedo-Verd, E., Vioque, A., and Muro-Pastor, A.M. (2016). Identification of conserved and potentially regulatory small RNAs in heterocystous cyanobacteria. Front. Microbiol. 7, 48.
    doi: 10.3389/fmicb.2016.00048.
  • Klähn, S., Schaal, C., Georg, J., Baumgartner, D., Knippen, G., Hagemann, M., Muro-Pastor, A.M., and Hess, W.R. (2015). The sRNA NsiR4 is involved in nitrogen assimilation control in cyanobacteria by targeting glutamine synthetase inactivating factor IF7. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, E6243-6252.
    doi: 10.1073/pnas.1508412112.
  • Muro-Pastor, A.M. (2014). The heterocyst-specific NsiR1 small RNA is an early marker of cell differentiation in cyanobacterial filaments. MBio 5, e01079-01014.
    doi: 10.1128/mBio.01079-14.
  • Muro-Pastor, A.M., and Hess, W.R. (2012). Heterocyst differentiation: from single mutants to global approaches. Trends Microbiol. 20, 548-557.
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  • Mitschke, J., Vioque, A., Haas, F., Hess, W.R., and Muro-Pastor, A.M. (2011). Dynamics of transcriptional start site selection during nitrogen stress-induced cell differentiation in Anabaena sp. PCC7120. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108, 20130-20135.
    doi: 10.1073/pnas.1112724108.
  • Ionescu, D., Voβ, B., Oren, A., Hess, W.R., and Muro-Pastor, A.M. (2010). Heterocyst-specific transcription of NsiR1, a non-coding RNA encoded in a tandem array of direct repeats in cyanobacteria. J. Mol. Biol. 398, 177-188.
    doi: 10.1016/j.jmb.2010.03.010.