Dentificación de genes que participan en la respuesta transcripcional al ion Mn2+ en Ceriporiopsis subvermispora y análisis bioinformático de los promotores de genes relacionados

Abstract

El manganeso es un componente esencial para los organismos, pues está involucrado en muchos de los procesos elementales de la célula. El estado de oxidación +2 es la forma más abundante de este metal en los sistemas biólógicos, en donde es requerido por una amplia diversidad de enzimas y proteínas. El ion Mn2+ destaca además por su capacidad de controlar especies reactivas del oxígeno al interior de la célula. Aún cumpliendo papeles tan importantes, se ha determinado que altas concentraciones intracelulares de Mn2+ pueden ser tóxicas. Además, su deficiencia también es responsable de ocasionar trastornos metabólicos que influyen en el desarrollo de los organismos. En el marco de comprender la dinámica de la homeostasis del ion Mn2+ en la célula, se han caracterizado varios transportadores que participan en la movilización y almacenamiento de este ion. La existencia de estos sistemas específicos demuestra la importancia que posee el mantener el control estricto de las concentraciones de Mn2+ para la célula. Por otra parte, se ha determinado que este ion es capaz de modular la actividad transcripcional de muchos genes, sin embargo, se desconocen los mecanismos moleculares a través de los cuales es capaz de realizar esta actividad. Ceriporiopsis subvermispora es un hongo que se ha caracterizado por ser un eficiente basidiomicete que degrada la lignina. Nuestro grupo ha caracterizado en profundidad los procesos involucrados en la degradación de este polímero natural y se ha determinado que una de las enzimas que utiliza este hongo es muy dependiente de la disponibilidad del ion Mn2+. A partir de esta y otras evidencias, realizó un estudio de la influencia de este ion sobre la expresión de la maquinaria ligninolitica en C. subvermispora. Los resultados obtenidos permitieron postular la existencia de mecanismos complejos asociados al control transcripcional de la enzima ligninolítica, sin lograr establecer la forma en que participaba el Mn2+. Estos antecedentes sugerían que aspectos fundamentales de la fisiología del Mn2+ en C. subvermispora debían ser abordados. En el trabajo aquí presentado se documenta la identificación de tres componentes de la respuesta a Mn2+, lograda a través del secuenciamiento de regiones genómicas. Estas regiones fueron identificadas parcialmente por estudios previos con la técnica de cDNA-AFLP aplicada para estudiar la homeostasis de Mn2+ en C. subvermispora. Dos de los segmentos identificados en este estudio muestran una alta homología a transportadores que han sido muy bien caracterizadas en la movilización de este metal: un homólogo del transportador de fosfatos inorgánicos de Saccharomyces cerevisiae PHO84, y un transportador de sideróforos. Además, se identificó un segmento que proviene de un marcador inducible por Mn2+, y su función predicha corresponde a una epimerasa que podría participar en el control de especies radicalarias del oxígeno. A partir de las funciones propuestas para estos componentes, se establece un modelo integral del control de la concentración del ion Mn2+ y la actividad ligninolítica de este hongo. Finalmente, se presentan los resultados de la identificación de un motivo presente en promotores de genes que son regulados por Mn2+, que sería específico para este ion. La existencia de este elemento permitiría explicar la respuesta transcripcional previamente estudiada en C. subvermispora, postulando un mecanismo de control transcripcional a través de factores proteicos capaces de reconocer el ion Mn2+. Esta evidencia es contrastada con los hallazgos documentados en el último tiempo para el control ejercido por Mn2+, sugiriendo que este elemento sea funcional

Manganese is a fundamental component for most organisms, because it is involved in many elemental cell processes. This metal is mainly found in biological systems with an oxidation state of +2, being required by an enormous diversity of enzymes and proteins. Mn2+ is highlighted by its ability of controlling reactive oxygen species inside the cell. Although this ion has a fundamental physiological role, it has been determined that high intracellular concentrations of Mn+2 can cause severe toxicity. Besides, the deficiency of this ion is also responsible for metabolic alterations that may affect the development of an organism. Focused on understanding dynamics of cellular Mn2+ homeostasis, there have been characterised several carriers involved in the processes of transport and storage of this ion. These specific systems maintain a strict control of the concentration Mn2+ ion, which is a very important process for the cell. There is evidence that this ion is capable of regulating the transcriptional activity of many genes, however the molecular mechanisms involved in this control are still unknown. Ceriporiopsis subvermispora is a basidiomycete fungus that has been characterised for being very efficient in lignin breakdown. The metabolic machinery employed by this fungus to degrade this compound has been studied by our group and we have determined one of its members, the manganese peroxidase, is widely dependent on Mn2+ availability. This evidence along with other studies, prompted our group to conclude that this ion could influence the expression of ligninolytic enzymes in C. subvermispora. We explored this proposal and the results obtained were not sufficient for establishing the role of Mn2+, but suggested the involvement of complex mechanisms that were capable of regulating ligninolytic enzymes. To investigate the importance of Mn2+ in the expression of ligninolytic machinery, fundamental knowledge about Mn2+ homeostasis had to be understood. In the present work, identification of three components of Mn2+ homeostasis are documented. These results were obtained by sequencing genomic regions, that were partially described in a previous cDNA-AFLP analysis of Mn2+ homeostasis in C. subvermispora. Two of the genomic regions identified showed high homology to well characterised carriers involved in the transport of this ion: a homolog of the inorganic phosphate transporter of Saccharomyces cerevisiae PHO84, and an oligopeptide transporter. The third region was identified from an inducible marker in the cDNA-AFLP study, and its function was predicted to be an epimerase that could be involved in control of reactive oxygen species. Considering predicted functions of the identified regions, an integrative model describing the control of Mn2+ concentration and ligninolytic activity is proposed. Finally, the identification of a specific motif found in promoters of Mn2+ regulated genes is presented. This element could explain the transcriptional response observed in C. subermispora, through a transcription control mechanism involving a transcriptional factors able to bind Mn2+. This result is compared with evidence from recent studies of specific transcriptional control exerted by Mn2+, which suggests that this element is functional