Organización génica y regulación del sistema "hpx" implicado en la utilización de hipoxantina como fuente de nitrógeno en "Klebsiella pneumoniae"

Abstract

[cat] La estructura molecular de diversos componentes celulares contiene, entre otros elementos, nitrógeno. La fuente de nitrógeno preferida por las bacterias y la mayoría de microorganismos es el amonio, el cual no siempre se encuentra disponible en el medio. Por ello, las bacterias han desarrollado mecanismos moleculares que les permiten obtener nitrógeno de fuentes alternativas como pueden ser las purinas. Este trabajo se centra en el metabolismo de las purinas como fuentes de nitrógeno en la enterobacteria Klebsiella pneumoniae . En este trabajo hemos identificado y caracterizado el sistema génico de K. Pneumoniae implicado en la asimilación de hipoxantina como fuente de nitrógeno, al cual hemos denominado hpx . El sistema hpx está formado por cuatro unidades transcripcionales. Las unidades hpxDE , hpxR y hpxO se transcriben a partir de promotores dependientes de la subunidad (sigma-70) 70 de la RNA polimerasa, mientras que 9 hpxPQT presenta un promotor dependiente de (sigma-54) 54. El operón hpxDE está implicado en la oxidación de hipoxantina a ácido úrico. Sin embargo, los productos de los genes hpxD y hpxE no se asemejan a las xantina deshidrogenasas descritas hasta el presente. En base a la similitud de HpxD y HpxE con distintos componentes de la familia de las dioxigenasas, proponemos que el operón hpxDE codifica una dioxigenasa formada por una oxidorreductasa (HpxE) y una oxigenasa (HpxD). El producto génico del gen hpxO está implicado en la oxidación de ácido úrico a alantoína. Sin embargo, dicha proteína no presenta similitud a uricasas sino a monooxigenasas de compuestos aromáticos dependientes de FAD. Proponemos que HpxO es una FAD-monooxigenasa que catalizaría la oxidación de ácido úrico al intermediario 5-hidroxiisourato, el cual sería transformado a alantoína por la acción secuencial de las proteínas HpxT y HpxQ. El gen hpxP codifica un transportador de purinas cuyo sustrato muy probablemente es ácido úrico. El gen hpxR codifica una proteína de la familia de reguladores LysR que actúa como represor de su propia transcripción y como activador del operón hpxDE El sistema hpx está sometido a una doble regulación, la llevada a cabo por el sistema global del nitrógeno y la llevada a cabo por la regulación específica de la vía. Mientras que el gen hpxR se expresa de manera constitutiva y el gen hpxO no está fuertemente regulado, los operones hpxDE y hpxPQT son inducidos tanto por limitación de nitrógeno como por la presencia de los inductores hipoxantina ( hpxDE ) o ácido úrico ( hpxPQT ). La regulación por nitrógeno del operón hpxPQT tiene lugar a través del sistema NTR de K. Pneumoniae , el cual se activa en condiciones de nitrógeno limitantes. El promotor PhpxP depende de la subunidad (sigma-54) 54 de la RNA polimerasa y es reconocido por el activador NtrC ( NiTrogen Regulatory protein C ). El regulador que reconoce el ácido úrico como molécula inductora todavía no ha sido identificado. Es de destacar que la regulación por nitrógeno del operón hpxDE no tiene lugar a través del sistema NTR. Resultados preliminares sugieren la existencia de un regulador no caracterizado hasta el presente al que proponemos denominar NR ( Nitrogen Repressor ). Este regulador reprimiría la expresión del operón hpxDE en condiciones de exceso de nitrógeno. Esta es la primera vez que se describe en K. Pneumoniae un sistema de regulación por nitrógeno distinto de NTR, hecho que evidencia la importancia del estudio del sistema génico hpx en esta enterobacteria. La regulación específica está llevada a cabo por el regulador HpxR, el cual reconoce a la hipoxantina como molécula inductora del operón hpxDE .

[eng] Gene organization and regulation of the genetic system hpx involved in utilization of hypoxanthine as nitrogen source in Klebsiella pneumoniae" Purines play a key role in nucleic acid and nucleotide metabolism of all cells. In addition, they can be used as nitrogen sources by many microorganisms when ammonium, the preferred nitrogen source, is limiting. Purine catabolism in enterobacteria has been poorly characterized at the genetic level. In this study we identify and characterize the gene cluster (named hpx)responsible for the oxidation of hypoxanthine to allantoin in K. pneumoniae. This genetic system is essential fot the aerobic assimilation of hypoxanthine as nitrogen source under nitrogen limiting conditions. This system is composed by four transcriptional units: hpxDE, hpxR, hpxO and hpxPQT. hpxP gene encodes a purine transporter. The hpxDE operon encodes subunits of the enzyme that catalyzes the oxidation of hypoxanthine to uric acid. The structure of this enzyme is more related to class IB dioxygenases than to xanthine dehydrogenases. Genes hpxO, hpxQ and hpxT are involved in the oxidation of uric acid to allantoin. The hpxO gene product seems to be more related to FAD containing monooxygenases than to uricases. Finally, hpxR encodes a LysR-type regulator that activates hpxDE expression and represses its own gene. Metabolism of hypoxanthine as nitrogen source is regulated by nitrogen conditions and by purines. hpxDE and hpxPQT operons are the units regulated at both levels. Transcription of hpxPQT operon is induced under nitrogen starvation and by uric acid through a regulatory protein other than HpxR. Nitrogen control of this unit is mediated by the NTR system. Expression of hpxDE operon is induced under nitrogen limiting conditions, independently from the NTR system, and by hypoxanthine through HpxR.