Evolución de la red fotorreguladora en la bacteria "Myxococcus xanthus" y plasticidad en el modo de acción molecular de los fotorreceptores dependientes de la vitamina B12

Resumen

La luz señaliza diversos procesos biológicos, pero también puede causar daño celular. Myxococcus xanthus tiene dos rutas para detectar la luz y controlar la carotenogénesis, una respuesta fotoprotectora. Una usa 5'-desoxiadenosilcobalamina (AdoCbl), una forma de B12 que se une a CarH (prototipo de una nueva familia de fotorreceptores). La otra requiere CarA (parálogo de CarH independiente de B12) y otras proteínas, algunas típicas de eucariotas. CarH y CarA reprimen la carotenogénesis en la oscuridad y tienen un dominio de unión al DNA (DBD) y otro de unión a B12 (CBD), pero solo CarH requiere B12. La unión de AdoCbl a CarH de M. xanthus (CarHMx) y Thermus thermophilus (CarHTt) provoca la transición de monómero a oligómero (tetrámero para CarHTt) que se une al DNA y cuya disgregación inducida por luz genera monómeros que no reprimen. Las estructuras de CarHTt revelaron cómo AdoCbl-CarHTt se utiliza como sensor de luz y cómo tres de sus cuatro DBDs contactan con tres repeticiones directas (DR). Para comprender mejor estos fotorreceptores, se debe estudiar si este comportamiento está conservado en otros CarH. El análisis de CarH de Bacillus megaterium (CarHBm) reveló que, a diferencia de apoCarHTt, es un glóbulo fundido tetramérico que pasa a tetrámero capaz de unir DNA cuando se asocia con AdoCbl. La luz descompone los tetrámeros en dímeros. CarHBm utiliza sus cuatro DBDs para unirse a cuatro DRs en su promotor o a tres DRs y una pseudorepetición (dr) en PcrtI, pero también puede unirse solo a tres, revelando una plasticidad probablemente relacionada con el conector entre sus dominios. Este diseño se conserva en el operador que controla SpxA2, un regulador global de respuesta redox. El análisis con AdoRhbl (un análogo sintético y fotoestable de AdoCbl, con rodio reemplazando al cobalto) mostró que interacciona con CarH, aunque con menor afinidad que la AdoCbl, promoviendo la formación de oligómeros que se unen al DNA, pero no responden a la luz. CarH está ampliamente distribuido en bacterias y, frecuentemente, coexiste con un CBD independiente de función desconocida. En mixobacterias, CarH está presente en los tres subórdenes, pero CarA y sus factores solo en Cystobacterineae, con carA y carH invariablemente en tándem en un operón carotenogénico sinténico. La vía CarA posiblemente evolucionó mediante duplicación génica y divergencia de un CarH ancestral, emergencia génica de novo y transferencia génica horizontal, quizás para afrontar la escasez de B12. Curiosamente, Cystobacter/Mellitangium tienen CarH y todas las proteínas de la vía CarA, excepto CarA. CarH de Cystobacter depende de AdoCbl, pero es un dímero inactivo que pasa a dímero activo cuando une AdoCbl, y a monómeros inactivos tras la fotólisis. Además, se parece a CarA en su unión escalonada al DNA (a tres DR en tándem y una dr) y en su anulación por CarS (el antirrepresor de CarA). Los análisis con Sorangium cellulosum (Sorangiineae) y Haliangium ochraceum (Nannocystineae), que reprimen la carotenogénesis en la oscuridad con B12, revelaron que incluso operadores con una o dos DRs (con drs flanqueantes) sirven para unir CarH. Conjuntamente, estos resultados resaltan una plasticidad en el comportamiento de los fotorreceptores basados en B12 que puede ser útil en Optogenética. CarF, la proteína que actúa más temprano de la vía CarA e identificada recientemente como la desaturasa involucrada en la biosíntesis de plasmalógenos, solo presenta homólogos bacterianos en mixobacterias, Leptospiraceae y Alphaproteobacteria, pero está ampliamente extendida en animales (incluidos los humanos) y plantas. Los homólogos de animales y Leptospira son más cercanos a los de mixobacterias que los de Alphaproteobacteria y plantas. Las histidinas clave para la función de CarF también lo son para el homólogo humano, sugiriendo que ambas proteínas están estrechamente relacionadas.