RNAs reguladores de cianobacterias

Las cianobacterias son un grupo de bacterias fotosintéticas 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, no sólo está sometido a ciclos diarios de luz y oscuridad sino también a cambios de intensidad en función de la hora del día o la época del año. Las cianobacterias más complejas como Nostoc sp., nuestro organismo modelo, son capaces de llevar a cabo diversos procesos de diferenciación celular, incluyendo la diferenciación de heterocistos (células especializadas en la fijación de nitrógeno atmosférico en situaciones de carencia de nitrogeno combinado).

Los pequeños RNAs no codificantes (sRNAs) y los RNAs antisentido (asRNAs) se reconocen actualmente como importantes reguladores post-transcripcionales de prácticamente todos los aspectos de la fisiología bacteriana, siendo elementos esenciales de los circuitos operados por la mayoría de los factores de transcripción. Nuestro trabajo se centra en el análisis de los mecanismos que regulan la adaptación de las cianobacterias a diferentes situaciones de estrés, desde la perspectiva de la participación de sRNAs y asRNAs. Para ello utilizamos aproximaciones globales, incluyendo RNA-Seq (Mitschke et al, 2011; Brenes-Álvarez et al. 2023), diseño de algoritmos para la predicción de sRNAs en genomas cianobacterianos (Brenes-Álvarez et al., 2016) o construcción de redes de co-expresión (Brenes-Álvarez et al., 2019). Estos acercamientos nos han permitido identificar un gran números de sRNAs y asRNAs cuya transcripción está regulada en respuesta a diversos estreses ambientales, por lo que serían candidatos a estar implicados en mecanismos reguladores relacionados con la adaptación a dichas situaciones de estrés.

Hemos estudiado y caracterizado varios sRNAs cuya expresión se induce en condiciones de limitación de nitrógeno. Así, por ejemplo, NsiR4 (nitrogen stress inducible RNA 4) regula la expresión de la glutamina sintetasa en Synechocystis (Klähn et al., 2015) y la de enzimas del ciclo de Calvin en Nostoc (Brenes-Álvarez et al., 2021), en donde el nivel de NsiR4 es mucho más alto en heterocistos que en células vegetativas (figura).

La diferenciación de heterocistos implica patrones transcripcionales exclusivos de estas células especializadas en la fijación de nitrogeno atmosférico. Hemos identificado varios sRNAs y asRNAs cuya expresión ocurre exclusivamente en heterocistos. Entre los sRNAs de esta categoría está por ejemplo NsiR1, un sRNA de transcripción muy temprana en el proceso de diferenciación del heterocisto (Muro-Pastor, 2014), y que reprime la expresión de al menos dos genes relacionados con la regulación del desarrollo del heterocisto (Brenes-Álvarez et al., 2020, 2022). También hemos caracterizado RNAs antisentido que se expresan exclusivamente en heterocistos y que regulan la expresión de los genes glpX (fructosa-1,6-bisfosfatasa) o gltA (citrato sintasa) (Olmedo-Verd et al., 2019; Brenes-Álvarez et al., 2023), contribuyendo a la reprogramación metabólica que conduce a la reducción de la actividad fotosintética en heterocistos respecto a las células vegetativas adyacentes (figura).

Parte de nuestros estudios se llevan a cabo en colaboración con el grupo de Wolfgang R. Hess (Genetics and Experimental Bioinformatics, University of Freiburg, Alemania).