Nuevos aspectos de la regulación del metabolismo de acetato en Escherichia coli= New insights into the regulation of acetate metabolism in Escherichia coli

Abstract

Objetivos: (i) caracterizar los mutantes delecionados en las rutas de consumo/producción de acetato y determinar las consecuencias de su deleción a distintos niveles celulares, (ii) estudiar la regulación in vivo del metabolismo de acetato por acetilación de proteínas en E. coli , (iii) describir el contexto genómico de los genes de las enzimas responsables de la acetilación de proteínas en E. coli (cobB y patZ) y estudiar su regulación transcripcional, (iv) discernir el papel de la acetilación de proteínas en las diferencias metabólicas observadas entre las cepas de E. coli K12 y BL21, (v) identificar los patrones de acetilación de proteínas en distintas condiciones y fondos genéticos en E. coli y (vi) caracterizar la funcionalidad de la acetilación de proteínas en el metabolismo del acetato y la regulación transcripcional. Metodología: durante esta Tesis se utilizaron la cepa de Escherichia coli BW25113 y sus mutantes delecionados en algunos genes de interés. Además se utilizaron técnicas para determinar expresión génica (RT-PCR, DNA-microarrays y vectores sonda de promotor), actividades enzimática en extractos crudos y enzimas purificadas, western blot, cuantificación de metabolitos por HPLC y espectrometría de masas de alta resolución para proteómica. Resultados. La deleción de la mayor vía de producción de acetato alteró el metabolismo central a distintos niveles, desde la transcripción a los niveles energéticos celulares, mostrando la conexión de este metabolismo y el central, y también mostrando la importancia de un funcionamiento equilibrado de este metabolismo. La sirtuina CobB y la acetiltransferasa PatZ alteraron la actividad in vivo de la enzima acetil-CoA sintetasa. El gen cobB se expresa constitutivamente mientras que la expresión génica de patZ se activa transcripcionalmente por el factor de transcripción CRP, al igual que el gen de la enzima acetil-CoA sintetasa, teniendo dos sitios de unión en su región aguas arriba de su secuencia. La ausencia de las proteínas CobB y PatZ en la cepa BL21 alteró mas severamente el metabolismo del acetato que en la cepa K12. Esto indicó que probablemente la regulación diferencial de estas enzimas puede ser la clave de porque ambas cepas tienen un metabolismo del acetato distinto. La actividad desacetilasa de CobB es global y contribuye a la desacetilación de numerosos substratos , generando un gran efecto sobre la fisiología. La acetilación de la isocitrato liasa contribuye al ajuste fino del ciclo del glioxilato y la acetilación de la lisina 154 de RcsB previene la unión de este factor de transcripción al ADN. Este último efecto de la acetilación activa la biosíntesis de flagelos y proteínas relacionadas con la motilidad, e incrementa la susceptibilidad a estrés. La deleción de la proteín-acetiltransferasa patZ aumenta la acetilación en cultivos con acetato. Esto sugiere que tal vez el papel de esta proteína sea regular los niveles de agentes acetilantes en la célula. Este hecho esto explicaría la activación transcripcional simultanea de los genes de patZ y su sustrato acs. Conclusiones. Los resultados presentados en esta Tesis ofrecen nuevos aspectos de las funciones del metabolismo del acetato y la acetilación de proteinas en E. coli. El metabolismo de acetato está directamente unido al metabolismo central, regulando los niveles de metabolitos clave como el acetil-CoA y el acetil-fosfato, que son clave para la acetilación enzimática y química de los residuos de lisina de las proteínas. Esta regulación post-traduccional es importante para el control del metabolismo pero también en otras funciones celulares como pueden ser la movilidad y la supervivencia a estrés. La proteín-acetiltransferasa PatZ no es responsable, directamente, de la mayor parte de las acetilaciones en E. coli, pero juega un papel importante en la regulación de la acetilación química en E. coli. Summary Objectives: (i) to characterise knockout mutants of the acetate producing/consuming pathways and to determine the consequences of the deletion at different metabolic levels; (ii) to study the regulation in vivo of the acetate metabolism by protein lysine acetylation in E. coli; (iii) to describe the genomic context of the genes that encode for the enzymes involved in protein lysine acetylation in E. coli (cobB and patZ) and to study their transcriptional regulation; (iv) to decipher the role of lysine acetylation in the different acetate metabolism observed between the BL21 and K12 E.coli strains; (v) to identify protein acetylation patterns in different growing conditions and genomic backgrounds; (iv) and to characterise the function of protein lysine acetylation in acetate metabolism and transcriptional regulation.

Methodology: the strain Escherichia coli BW25113 and its knockout mutants deleted in the pathways of interest were used during this PhD thesis. Several techniques were used in order to achieve the objectives mentioned above, such as RT-PCR, promoter probe plasmids, DNA microarray, enzyme activities in cell crude extracts and purified enzymes, metabolite measurement by HPLC and High resolution MS proteomics. Results and discussion. The deletion of the main acetate-producing pathway altered central metabolism at different levels, from the transcripts to the energetic levels, showing the link between this metabolism and central carbon metabolism, and also the importance of a proper-balance of acetate metabolism. The sirtuin CobB and the acetyltransferase PatZ altered the activity of acetyl-CoA synthetase in vivo. the cobB gene is expressed constitutively while the patZ gene expression is activated transcriptionally by the transcription factor CRP, similarly to what has been described for the acetyl-CoA synthetase gene, having two putative binding sites in its upstream region. The absence of the CobB and PatZ protein in the BL21 strain altered more severely the acetate metabolism than in the K12. This indicates that probably the differential metabolic regulation of these enzymes could be the key for this different acetate production. Further, the deacetylase activity of CobB is global, contributes to the deacetylation of a big number of substrates and has a major impact on bacterial physiology. Acetylation of isocitrate lyase contributes to the fine-tuning regulation of the glyoxylate shunt and the acetylation of lysine 154 of RcsB prevents DNA binding. This last effect activates flagella biosynthesis and motility proteins, and increases susceptibility to acid stress. Besides, deletion of the acetyltransferase patZ increased acetylation especially in acetate cultures. These results suggest that the role of PatZ could be the regulation of the levels of acetylating agents in the cell. In fact this last finding would explain the simultaneous transcriptional activation of the protein acetyltransferase (patZ) and acetyl CoA synthetase (acs). Conclusions. The results presented in this PhD thesis offered new insights into the roles of acetate metabolism and lysine acetylation in E. coli. Acetate metabolism is linked to central metabolism regulating the levels of key metabolites, such as acetyl-CoA and acetyl-phosphate, both having been shown involved in protein lysine acetylation. This post-translational modification mechanism is important in the control of metabolism, but also in other important physiological roles such as motility and stress survival. Also, the protein acetyltransferase, PatZ, is not a major protein-acetyltransferase in E. coli, but rather might play a role in the regulation of chemical acetylation in E. coli.