Análise genética da regulação do gene de desenvolvimento spoVE de Bacillus subtilis

Abstract

A diferenciação de esporos pelas células vegetativas de Bacillus subtilis, uma bactéria Gram positiva do solo, constitui um exemplo dramático de adaptação a condições nutricionais adversas. Os esporos, metabólicamente inertes, exibem propriedades notáveis de resistência a condições que resultariam na destruição rápida das células indiferenciadas. Diferentes estruturas do esporo são importantes para o estabelecimento das suas propriedades de resistência. Uma delas consiste de uma espessa camada de peptidoglicano (PG) modificado, designada por córtex. Mutações no locus spoVE de B. subtilis resultam na produção de esporos imaturos, desprovidos de córtex, e definem desse modo um elemento indispensável da maquinaria envolvida na sua síntese. O gene spoVE codifica para um produto semelhante a nível de estrutura primária às proteínas RodA e FtsW de E. coli, implicadas na síntese de PG durante o elongamento e a divisão celular, respectivamente. Assim, SpoVE, RodA e FtsW definem uma família de proteínas morfogenéticas com funções na síntese de PG em diferentes fases do ciclo celular. A análise da sequência do DNA adjacente ao gene spoVE revelou a existência de um agrupamento de genes implicados na síntese de percursores solúveis do PG da parede celular. Um contexto semelhante é observado para a região do cromossoma de E. coli que contem o gene ortólogo ftW. Diversos genes no agrupamento de B. subtilis, incluindo murD e murG, são co-transcritos com o gene spoVE durante o crescimento vegetativo na forma de longas mensagens policistrónicas. No entanto, o gene spoVE é dispensável para o crescimento e a viabilidade, um resultado que permite antecipar a existência de um gene análogo com funções estritamente vegetativas. Durante o desenvolvimento, a transcrição do gene spoVE ocorre numa forma monocistrónica. Estudos com fusões spoVE-lacZ mostraram que a expressão do gene é fortemente induzida cerca de duas horas após o início da esporulação, e depende do factor de transcrição sE cuja actividade é restrita à célula-mãe do esporângio. Estas observações são consistentes com um modelo segundo o qual a proteína SpoVE é produzida específicamente na célula-mãe do esporo, onde a sua acção é essencial para a síntese do PG do córtex.

Spore differentiation by vegetative cells of the Gram positive soil bacterium Bacillus subtilis is a dramatic example of an adaptive response to nutritional deprivation. The metabolically inert spore exhibit remarkable resistance properties to challenges that would promptly kill the undiferentiated cells. Several structures of the spore contribute to the establishment of its resistance properties. One of them consists of a thick layer of a modified form of peptidoglycan (PG), known as the cortex. Mutations in the B. subtilis spoVE locus result in the production of immature spores lacking the cortex layer, thereby defining a key element of the machinery responsible for its synthesis. The spoVE gene encodes a product similar at the primary structure level to the E. coli RodA and FtsW proteins, which function in PG synthesis during cell elongation and division, respectively. Thus, SpoVE, RodA, and FtsW define a family of morphogenetic proteins with functions in PG synthesis at different stages of the cell cycle. Analysis of the DNA sequence adjacent to the spoVE locus revealed a large cluster of genes implicated in the synthesis of soluble precursors of the cell wall PG. A similar context is found for the orthologous gene ftsW in E. coli. Several genes in the B. subtilis cluster, including murD and murG, are co-transcribed with spoVE during vegetative growth in the form of long polycistronic messages. However, spoVE is dispensable for cell growth and viability, a result that suggests the existence of a related gene with strictly vegetative functions. During development, spoVE transcription is monocistronic. Studies with spoVE-lacZ fusions revealed that expression of the gene is strongly induced around hour two of sporulation, and is under the control of the mother-cell-specific regulator sE. These observations are consistent with a model according to which SpoVE is specifically produced in the mother-cell compartment of the sporangia, where its action is essential for cortex PG synthesis.