Publication: Mecanismos de señalización del estrés foto-oxidativo y oxidativo en Myxococcus xanthus: implicaciones funcionales y perspectivas evolutivas
Authors
Rey Navalón, Irene del
item.page.secondaryauthor
Escuela Internacional de Doctorado
item.page.director
Elías Arnanz, Montserrat
Publisher
Universidad de Murcia
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DOI
item.page.type
info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Description
Abstract
Myxobacteria, recently reclassified into Myxococcota phylum, are Gram-negative, non-pathogenic, aerobic bacteria. The best-studied species is Myxococcus xanthus, whose light response has been well characterized by our research group. M. xanthus has two pathways to respond to light, both leading to carotenoid biosynthesis, whose antioxidant properties protect cells against photooxidative stress. The more complex pathway depends on protoporphyrin IX and 1O2, and the activity of the σ-ECF/anti-σ pair CarQ/CarR. CarF is a key membrane protein in the response to light in M. xanthus. This protein has been a long-sought enzyme, whose activity has been unknown for more than fifty years. The study of CarF led to the discovery of its fatty acid desaturase activity (PEDS1), which is responsible for the introduction of the characteristic vinyl-ether bond in the sn-1 position of plasmalogens. Plasmalogens are a special type of glycerophospholipid whose unique structural and functional properties are due to the presence of their vinyl-ether bond. Alterations in their levels have been linked to the development of different human diseases, from Zellweger syndrome to neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s or Parkinson’s, and cancer. They present a patchy distribution across the Tree of Life: among bacteria, they are present in anaerobic and facultative bacteria, and among aerobic bacteria, their presence is restricted to myxobacteria. They are also present in mammals and protists but absent in plants and fungi. Their atypical distribution pushed us to study the functional and evolutionary parallelisms between myxobacteria and mammals. The peroxisomal enzymes FAR, AGPS and GNPAT are key in the plasmalogen biosynthesis pathway in mammals. In contrast, M. xanthus has two pathways responsible for plasmalogen precursor synthesis. The main pathway (ElbA-E), where ElbD is a multifunctional enzyme, whose FAR and GNPAT activities are essential. The auxiliary pathway involves a three-gene operon (MXAN_1676-1674), in which MXAN_1675 has FAR and GNPAT domains, also essential for function. The functional study of elbA-E genes confirmed that elbB, elbC, and elbD are key for ether lipid and plasmalogen biosynthesis, being elbA and elbE (SDR activity) make plasmalogen biosynthesis more efficient. Given the similarities between the pathway in mammals and M. xanthus, another objective of the present work has been the study of the origin and distribution of this pathway, which has been developed in collaboration with Prof. Iñaki Ruiz Trillo research group. The results point out that myxobacteria could be responsible for horizontal gene transfer (HGT) events to eukaryotes, which highlights the value of myxobacteria as a model organism to study eukaryotic-like mechanisms. The study of the photooxidative stress response in M. xanthus revealed the presence of new CarQ-dependent genes, MXAN_6864 y el operon MXAN_6048-6047 encoding two putative methionine sulfoxide reductases (Msr). Their discovery as new CarQ-dependent genes establishes a novel link between photooxidative damage and protein repair. Even though the light response has been well-characterized, their response mechanisms to other stresses, such as peroxide stress, have not been studied. The canonical regulators against peroxide stress are OxyR and PerR, but M. xanthus lacks both canonical regulators. Instead, it uses a novel regulator called PexR (Peroxide stress Regulator), a bacterial enhancer binding protein which is needed to initiate σ54-dependent gene transcription. PexR directly regulates the expression of the peroxiredoxin AhpC and the catalase KatB, as assessed by ChIP-qPCR. PexR binds metal (either Zn2+ or Fe2+) by His, Cys and Asp residues located at its N-terminal GAF domain, which plays an autoinhibitory role in the absence of H2O2. The proposed mechanism of action of PexR relies on metal expulsion and protein oxidation upon H2O2 exposure.
Las mixobacterias, recientemente reclasificadas dentro del filo Myxococcota, son bacterias Gram-negativas, aerobias y no patogénicas. La especie más estudiada ha sido Myxococcus xanthus, cuya respuesta a la luz ha sido ampliamente estudiada por el grupo de investigación. M. xanthus presenta dos rutas de respuesta a la luz, las cuales convergen en la síntesis de carotenoides, compuestos antioxidantes que protegen a la célula del daño fotooxidativo. La ruta más compleja depende de protoporfirina IX y 1O2,, de la pareja σ-ECF/anti-σ CarQ/CarR y de la proteína membranal CarF, considerada durante más de cinco décadas una enzima huérfana. El estudio de CarF permitió dilucidar su actividad desaturasa de plasmaniletanolamina (PEDS1), encargada de introducir el enlace vinil-éter para generar los plasmalógenos, un tipo especial de glicerofosfolípidos cuyas alteraciones se han relacionado con el desarrollo de enfermedades raras, neurodegenerativas y cáncer. Su distribución en el árbol de la vida es peculiar. En bacterias, los encontramos en bacterias anaerobias y anaerobias facultativas, y entre bacterias aerobias exclusivamente en mixobacterias. También están presentes en mamíferos y algunos protistas, pero no en plantas ni hongos. Su peculiar distribución en el árbol de la vida guió el primer objetivo de esta tesis: estudiar funcional y evolutivamente los paralelismos entre la ruta de biosíntesis de lípidos éter y plasmalógenos en mixobacterias y mamíferos. En mamíferos actúan tres enzimas (FAR, AGPS y GNPAT) para la biosíntesis de los lípidos éter precursores. Sorprendentemente, a diferencia de mamíferos, M. xanthus presenta dos rutas independientes para la biosíntesis de los lípidos éter precursores. En la ruta principal (ElbA-E), ElbD juega un papel esencial y posee dominios FAR y GNPAT, esenciales para su función. En la ruta auxiliar participa un operón de tres genes (MXAN_1676-1674) con funciones homólogas a las enzimas de mamíferos, siendo los dominios FAR y GNPAT de MXAN_1675 esenciales para su función. El análisis genético y lipídico afirmó que, al igual que elbD, elbB y elbC son esenciales en la biosíntesis de lípidos éter y plasmalógenos, mientras que elbA y elbE, con la misma función proteica predicha, contribuyen a que la biosíntesis sea más eficaz. El estudio sobre el origen y distribución de esta ruta biosintética, realizado en colaboración con el grupo del Prof. Iñaki Ruiz Trillo, han puesto de manifiesto una posible transferencia horizontal de las enzimas de la ruta desde mixobacterias hacia eucariotas, lo que resalta su valor como modelo de estudio de mecanismos típicos de eucariotas. El estudio de la respuesta a estrés fotooxidativo en M. xanthus también ha revelado la presencia de nuevos genes dependientes de CarQ, MXAN_6864 y el operón MXAN_6048-6048, genes que determinan reductasas de sulfóxidos de metionina (Msr). Este hallazgo establece una nueva conexión entre el daño fotooxidativo y la reparación de proteínas. A pesar de que la respuesta a la luz ha sido ampliamente estudiada, la respuesta a otro tipo de estreses en M. xanthus es un campo inexplorado. A diferencia de otras bacterias, M. xanthus carece de los reguladores clásicos OxyR y PerR. Sin embargo, se ha identificado una nueva proteína reguladora, PexR (Peroxide stress Regulator), una enhancer binding protein la encargada de regular la respuesta a H2O2, denominada por nosotros PexR (Peroxide stress Regulator). Este factor, capaz de oligomerizar, se encarga de regular la expresión de una peroxirredoxina (AhpC) y de una catalasa (KatB) mediante unión directa a sus regiones UASs. PexR es capaz de unir Zn2+ y Fe2+ a través residuos de His, Cys y Asp localizados en el dominio GAF, siendo la expulsión de metal y la oxidación de la proteína tras exposición a H2O2 su mecanismo de acción preferente.
Las mixobacterias, recientemente reclasificadas dentro del filo Myxococcota, son bacterias Gram-negativas, aerobias y no patogénicas. La especie más estudiada ha sido Myxococcus xanthus, cuya respuesta a la luz ha sido ampliamente estudiada por el grupo de investigación. M. xanthus presenta dos rutas de respuesta a la luz, las cuales convergen en la síntesis de carotenoides, compuestos antioxidantes que protegen a la célula del daño fotooxidativo. La ruta más compleja depende de protoporfirina IX y 1O2,, de la pareja σ-ECF/anti-σ CarQ/CarR y de la proteína membranal CarF, considerada durante más de cinco décadas una enzima huérfana. El estudio de CarF permitió dilucidar su actividad desaturasa de plasmaniletanolamina (PEDS1), encargada de introducir el enlace vinil-éter para generar los plasmalógenos, un tipo especial de glicerofosfolípidos cuyas alteraciones se han relacionado con el desarrollo de enfermedades raras, neurodegenerativas y cáncer. Su distribución en el árbol de la vida es peculiar. En bacterias, los encontramos en bacterias anaerobias y anaerobias facultativas, y entre bacterias aerobias exclusivamente en mixobacterias. También están presentes en mamíferos y algunos protistas, pero no en plantas ni hongos. Su peculiar distribución en el árbol de la vida guió el primer objetivo de esta tesis: estudiar funcional y evolutivamente los paralelismos entre la ruta de biosíntesis de lípidos éter y plasmalógenos en mixobacterias y mamíferos. En mamíferos actúan tres enzimas (FAR, AGPS y GNPAT) para la biosíntesis de los lípidos éter precursores. Sorprendentemente, a diferencia de mamíferos, M. xanthus presenta dos rutas independientes para la biosíntesis de los lípidos éter precursores. En la ruta principal (ElbA-E), ElbD juega un papel esencial y posee dominios FAR y GNPAT, esenciales para su función. En la ruta auxiliar participa un operón de tres genes (MXAN_1676-1674) con funciones homólogas a las enzimas de mamíferos, siendo los dominios FAR y GNPAT de MXAN_1675 esenciales para su función. El análisis genético y lipídico afirmó que, al igual que elbD, elbB y elbC son esenciales en la biosíntesis de lípidos éter y plasmalógenos, mientras que elbA y elbE, con la misma función proteica predicha, contribuyen a que la biosíntesis sea más eficaz. El estudio sobre el origen y distribución de esta ruta biosintética, realizado en colaboración con el grupo del Prof. Iñaki Ruiz Trillo, han puesto de manifiesto una posible transferencia horizontal de las enzimas de la ruta desde mixobacterias hacia eucariotas, lo que resalta su valor como modelo de estudio de mecanismos típicos de eucariotas. El estudio de la respuesta a estrés fotooxidativo en M. xanthus también ha revelado la presencia de nuevos genes dependientes de CarQ, MXAN_6864 y el operón MXAN_6048-6048, genes que determinan reductasas de sulfóxidos de metionina (Msr). Este hallazgo establece una nueva conexión entre el daño fotooxidativo y la reparación de proteínas. A pesar de que la respuesta a la luz ha sido ampliamente estudiada, la respuesta a otro tipo de estreses en M. xanthus es un campo inexplorado. A diferencia de otras bacterias, M. xanthus carece de los reguladores clásicos OxyR y PerR. Sin embargo, se ha identificado una nueva proteína reguladora, PexR (Peroxide stress Regulator), una enhancer binding protein la encargada de regular la respuesta a H2O2, denominada por nosotros PexR (Peroxide stress Regulator). Este factor, capaz de oligomerizar, se encarga de regular la expresión de una peroxirredoxina (AhpC) y de una catalasa (KatB) mediante unión directa a sus regiones UASs. PexR es capaz de unir Zn2+ y Fe2+ a través residuos de His, Cys y Asp localizados en el dominio GAF, siendo la expulsión de metal y la oxidación de la proteína tras exposición a H2O2 su mecanismo de acción preferente.
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26-jul-2026
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