Análisis genómico-funcional de la regulación de la expresión génica por la luz en el hongo Mucor circinelloides

Abstract

La luz induce una amplia variedad de respuestas relacionadas con la fisiología celular y el comportamiento de muchos organismos. El conocimiento de los mecanismos moleculares implicados en la regulación de esas respuestas es, sin duda, uno de los grandes retos de la biología molecular. Hongos filamentosos, como Neurospora crassa, han contribuido al conocimiento de algunos de los mecanismos moleculares implicados en las respuestas a la luz. La caracterización de los genes white collar-1 y white collar-2 (wc-1 y wc-2), dos genes claves en todas las respuestas a la luz de este hongo, ha sido crucial en el desarrollo de esos conocimientos. Por otra parte, la biosíntesis de carotenos en hongos, como el propio N. crassa o el cigomiceto Phycomyces blakesleeanus, es una de las respuestas a la luz que más atención ha merecido por parte de un número importante de investigadores. El hongo Mucor circinelloides, otro cigomiceto, responde a la luz azul incrementando notablemente la síntesis de carotenos. La carotenogénesis en M. circinelloides está controlada por crgA, un gen que cifra una proteína RING-finger represora de la carotenogenesis. Este gen está evolutivamente conservado desde hongos hasta humanos y, por tanto, no es un gen exclusivo de la carotenogénesis. De hecho, en el propio M. circinelloides regula también procesos de desarrollo, como la formación de hifas aéreas y producción de esporas asexuales. Este gen está presente en prácticamente todos los eucariotas, pero sólo se ha estudiado en los hongos fundamentalmente en M. circinelloides. El gen crgA regula la carotenogénesis a través del control de la expresión del gen mcwc-1b. En concreto, la proteína CrgA está implicada directa o indirectamente en la adición de una o dos ubiquitinas a la proteína Mcwc-1b, lo que supone su inactivación, pero no su degradación. Esta tesis ha caracterizado en detalle las bases moleculares de dicho mecanismo, que ha includo objetivos específicos como la caracterización de la oligoubiquitilación de Mcwc-1b, la identificación y caracterización de genes regulados por crgA de forma dependiente e independiente de mcwc-1b así como genes exclusivamente regulados por mcwc-1b. Mediante mutagénesis dirigida se ha identificado la lisina de Mcwc-1b que es diana de la ubiquitilación mediada por CrgA. Mediante análisis transcriptómico se ha determinado que la expresión de al menos 350 genes, que representan cerca del 3% de los genes identificados en M. circinelloides, depende de crgA, revelando el importante papel de crgA en la regulación de la expresión génica. La regulación ejercida por crgA es principalmente a través de mcwc-1b, sin embargo, ambos son capaces de regular la expresión de algunos genes de forma independiente. Se ha encontrado un enriquecimiento de genes implicados en el metabolismo de aminoácidos y de metabolitos secundarios regulados por crgA. La regulación de un aspecto tan básico como la síntesis de aminoácidos podría significar que este gen también pueda ejercer esta función en eucariotas superiores. Esta tesis también ha caracterizado a nivel transcriptómico la respuesta a la luz en M. circinelloides. M. circinelloides presenta tres genes homólogos al gen wc-1 (mcwc-1a, mcwc-1b y mcwc-1c). En esta tesis se han planteado el objetivo de caracterizar a nivel molecular las respuestas a la luz de M. circinelloides y la implicación de los tres genes wc-1. El análisis transcriptómico realizado en esta tesis ha identificado 146 genes (1,24 % del genoma) regulados por luz, muchos de ellos a través de mcwc-1a, indicando que es elemento principal de control de las respuestas a la luz. La existencia de genes que se inducen en los mutantes en los tres genes mcwc-1 de M. circinelloides, sugiere que existen otros fotorreceptores que podrán ser caracterizados en futuras investigaciones. Light induces a wide variety of responses related to cell physiology and behavior of many organisms. Knowledge of the molecular mechanisms involved in the regulation of these responses is undoubtedly one of the great challenges of molecular biology. Filamentous fungi, such as Neurospora crassa, have contributed to the knowledge of some of the molecular mechanisms involved in responses to light. The characterization of the white collar-1 and white collar-2 (wc-1 and wc-2), two key genes in all responses in the light of this fungus, has been crucial in the development of such knowledge. Moreover, the carotenoid biosynthesis in fungi such as itself N. crassa or cigomiceto Phycomyces blakesleeanus, is one of the responsess to light that more attention has been received by a large number of researchers. The fungus Mucor circinelloides, another cigomiceto, responds to blue light significantly increasing the synthesis of carotenoids. In M. circinelloides carotenogenesis is controlled by a crgA, gene that codes a RING-finger repressor protein of the carotenogenesis. This gene is evolutionarily conserved from yeast to humans and, therefore, it is not an exclusive gene carotenogenesis. In fact, itself M. circinelloides also regulates development processes such as the formation of aerial hyphae and production of asexual spores. This gene is present in almost all eukaryotes, but has only been studied in fungi mainly in M. circinelloides. The gene crgA regulates carotenogenesis through expression control of mcwc-1b gene. Specifically, CrgA protein is directly or indirectly involved in the addition of one or two ubiquitin to mcwc-1b protein, resulting in its inactivation, but not degradation. This thesis has been characterized in detail the molecular basis of this mechanism, which has included when specific goals as characterization of oligoubiquitilación of mcwc-1b, identification and characterization genes regulated by crgA dependent or independent of mcwc-1b and genes exclusively regulated by mcwc-1b. By mutagenesis has been identified lysine is the target crgA mediated ubiquitylation. By transcriptomic analysis has determined that the expression of at least 350 genes, representing about 3% of the genes identified in M. circinelloides, it depends crgA, revealing the important role of crgA in regulation of gene expression. The regulation is mainly exerted by crgA through mcwc-1b, however, both are capable of regulating the expression of some genes independently. It found an enrichment of genes involved in amino acid metabolism and secondary metabolites regulated by crgA. The regulation of such a basic amino acid synthesis as aspect could mean that this gene can also perform this function in higher eukaryotes. This thesis has characterized response to light of M. circinelloides at the transcriptome level. M. circinelloides presents three genes homologous to gene wc-1 (mcwc-1a, mcwc-b and mcwc-1c). In This thesis has been raised the characterization at the molecular level responses to light in M. circinelloides and the involvement of three genes wc-1. Transcriptome analysis in this thesis has identified 146 genes (1.24% of the genome) regulated by light, many of them through mcwc-1a, indicating that it is the main control element of responses to light. The existence of genes induced by light in mutants mcwc-1aΔ, suggests that other photoreceptors that may be characterized in future research.