Caulobacter crescentus

Caulobacter crescentus es una bacteria oligotrófica Gram negativa ampliamente distribuida en lagos y arroyos de agua dulce. El taxón se conoce más propiamente como Caulobacter vibrioides (Henrici y Johnson 1935). ^{[ 1 ]}

C. crescentus es un organismo modelo importante para estudiar la regulación del ciclo celular , la división celular asimétrica y la diferenciación celular . Las células hijas de Caulobacter tienen dos formas muy diferentes. Una de ellas es una célula móvil, denominada "enjambre", que posee un flagelo en uno de sus polos y que le proporciona motilidad para la quimiotaxis . La otra célula hija, llamada "pedunculada", tiene una estructura tubular que sobresale de un polo y que posee un material adhesivo en su extremo, con el cual la célula peludada puede adherirse a las superficies. Las células enjambres se diferencian en células peludas tras un breve período de motilidad. La replicación cromosómica y la división celular solo ocurren en la etapa de célula peludada.

C. crescentus deriva su nombre de su forma de media luna , causada por la proteína crescentina . Es un organismo interesante para estudiar porque habita ambientes acuáticos pobres en nutrientes. Su capacidad para prosperar en bajos niveles de nutrientes se ve facilitada por su ciclo de desarrollo dimórfico. La célula enjambre tiene un flagelo que sobresale de un solo polo y no puede iniciar la replicación del ADN a menos que se diferencie en una célula pedunculada. El proceso de diferenciación incluye una transición morfológica caracterizada por la expulsión de su flagelo y el crecimiento de un tallo en el mismo polo. Las células pedunculadas pueden alargarse y replicar su ADN mientras desarrollan un flagelo en el polo opuesto, dando lugar a una célula predivisional. Aunque la función precisa de los tallos aún se está investigando, es probable que estén involucrados en la absorción de nutrientes en condiciones de limitación de nutrientes. ^{[ 2 ]} Su uso como modelo se originó con la bióloga del desarrollo Lucy Shapiro . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

En el laboratorio, los investigadores distinguen entre la cepa CB15 de C. crescentus (la cepa aislada originalmente de un lago de agua dulce) y la NA1000 (la cepa experimental principal). En la cepa NA1000, derivada de la CB15 en la década de 1970, ^{[ 5 ]} las células con tallo y predivisionales pueden separarse físicamente en el laboratorio de las nuevas células móviles, mientras que los tipos celulares de la cepa CB15 no pueden separarse físicamente. Las células móviles aisladas pueden cultivarse como un cultivo celular sincronizado. El estudio detallado del desarrollo molecular de estas células a medida que avanzan a través del ciclo celular ha permitido a los investigadores comprender la regulación del ciclo celular de Caulobacter con gran detalle. Debido a esta capacidad de sincronización física, la cepa NA1000 se ha convertido en la cepa experimental de Caulobacter predominante en todo el mundo. Posteriormente, se han acumulado diferencias fenotípicas adicionales entre las dos cepas debido a las presiones selectivas sobre la cepa NA1000 en el entorno de laboratorio. La base genética de las diferencias fenotípicas entre las dos cepas resulta de polimorfismos codificantes, reguladores y de inserción/deleción en cinco loci cromosómicos. ^{[ 6 ]} C. crescentus es sinónimo de Caulobacter vibrioides . ^{[ 1 ]}

El genoma de Caulobacter CB15 tiene 4.016.942 pares de bases en un único cromosoma circular que codifica 3.767 genes. ^{[ 7 ]} El genoma contiene múltiples grupos de genes que codifican proteínas esenciales para la supervivencia en un hábitat con pocos nutrientes. Se incluyen aquellas involucradas en la quimiotaxis, la función del canal de la membrana externa, la degradación de compuestos de anillo aromático y la descomposición de fuentes de carbono derivadas de plantas, además de muchos factores sigma de función extracitoplasmática, lo que proporciona al organismo la capacidad de responder a una amplia gama de fluctuaciones ambientales. En 2010, se secuenció la cepa Caulobacter NA1000 y se identificaron todas las diferencias con la cepa CB15 "silvestre". ^{[ 6 ]}

La etapa de célula pedunculada de Caulobacter proporciona una ventaja adaptativa al anclar la célula a superficies para formar biopelículas o explotar fuentes de nutrientes. Generalmente, la especie bacteriana que se divide más rápido será la más eficaz en la explotación de recursos y en la ocupación efectiva de nichos ecológicos. Sin embargo, Caulobacter posee la etapa de célula móvil, que resulta en un crecimiento poblacional más lento. Se cree que la célula móvil facilita la dispersión celular, de modo que el organismo busca constantemente nuevos entornos. Esto puede ser particularmente útil en entornos con escasez severa de nutrientes, donde los escasos recursos disponibles pueden agotarse muy rápidamente. Muchas, quizás la mayoría, de las células hijas móviles no encontrarán un entorno productivo, pero la etapa de dispersión obligatoria debe aumentar la aptitud reproductiva de la especie en su conjunto.

El sistema regulador del ciclo celular de Caulobacter controla numerosos subsistemas modulares que organizan la progresión del crecimiento y la reproducción celular. Un sistema de control, construido mediante circuitos lógicos bioquímicos y genéticos, organiza el momento de inicio de cada uno de estos subsistemas. La característica central de la regulación del ciclo celular es un circuito genético cíclico —un motor del ciclo celular— que se centra en las interacciones sucesivas de cinco proteínas reguladoras maestras: DnaA, GcrA, CtrA, SciP y CcrM, cuyas funciones fueron descritas en los laboratorios de Lucy Shapiro y Harley McAdams . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} Estas cinco proteínas controlan directamente el momento de expresión de más de 200 genes. Las cinco proteínas reguladoras maestras se sintetizan y luego se eliminan de la célula una tras otra a lo largo del ciclo celular. Varias vías de señalización celular adicionales también son esenciales para el correcto funcionamiento de este motor del ciclo celular. La función principal de estas vías de señalización es asegurar la producción y eliminación fiables de la proteína CtrA de la célula en los momentos precisos del ciclo celular.

Una característica esencial del ciclo celular de Caulobacter es que el cromosoma se replica una sola vez por ciclo celular. Esto contrasta con el ciclo celular de E. coli, donde pueden ocurrir rondas superpuestas de replicación cromosómica simultáneamente. Las funciones opuestas de las proteínas DnaA y CtrA de Caulobacter son esenciales para el control preciso de la replicación cromosómica de Caulobacter . ^{[ 11 ]} La proteína DnaA actúa en el origen de replicación para iniciar la replicación del cromosoma. La proteína CtrA, por el contrario, actúa para bloquear el inicio de la replicación, por lo que debe eliminarse de la célula antes de que pueda comenzar la replicación cromosómica. Múltiples vías reguladoras adicionales, integrales a la regulación del ciclo celular e involucrando tanto vías de señalización de fosforilación como el control regulado de la proteólisis de proteínas ^{[ 12 ],} actúan para asegurar que DnaA y CtrA estén presentes en la célula justo cuando se necesitan.

Cada proceso activado por las proteínas del motor del ciclo celular implica una cascada de numerosas reacciones. La cascada de subsistemas más larga es la replicación del ADN. En las células de Caulobacter , la replicación del cromosoma implica aproximadamente 2 millones de reacciones de síntesis de ADN para cada brazo del cromosoma durante 40 a 80 minutos, dependiendo de las condiciones. Si bien el tiempo promedio para cada reacción de síntesis individual puede estimarse a partir del tiempo total promedio observado para replicar el cromosoma, el tiempo real de reacción para cada reacción varía ampliamente alrededor de la tasa promedio. Esto genera una variación significativa e inevitable entre células en el tiempo necesario para completar la replicación del cromosoma. Existe una variación aleatoria similar en las tasas de progresión de todas las demás cascadas de reacciones de subsistemas. El efecto neto es que el tiempo para completar el ciclo celular varía ampliamente entre las células de una población, incluso cuando todas crecen en condiciones ambientales idénticas. La regulación del ciclo celular incluye señales de retroalimentación que regulan la progresión del motor del ciclo celular para que coincida con el progreso de los eventos a nivel del subsistema regulador en cada célula en particular. Esta organización del sistema de control, con un controlador (el motor del ciclo celular) que impulsa un sistema complejo, con modulación mediante señales de retroalimentación del sistema controlado, crea un sistema de control de bucle cerrado.

La velocidad de progresión del ciclo celular se ajusta aún más mediante señales adicionales provenientes de sensores celulares que monitorean las condiciones ambientales (por ejemplo, los niveles de nutrientes y el nivel de oxígeno) o el estado interno de la célula (por ejemplo, la presencia de daño en el ADN). ^{[ 13 ]}

El circuito de control que dirige y regula la progresión del ciclo celular de Caulobacter involucra a toda la célula operando como un sistema integrado. Este circuito monitorea el entorno y el estado interno de la célula, incluyendo su topología, mientras orquesta la activación de los subsistemas del ciclo celular y la división celular asimétrica de Caulobacter crescentus . Las proteínas del sistema de control del ciclo celular de Caulobacter y su organización interna se conservan en muchas especies de alfaproteobacterias , pero existen grandes diferencias en la funcionalidad del aparato regulador y la conectividad periférica con otros subsistemas celulares entre especies. ^{[ 14 ] [ 15 ]} El sistema de control del ciclo celular de Caulobacter ha sido exquisitamente optimizado por la selección evolutiva como un sistema total para un funcionamiento robusto frente al ruido estocástico interno y la incertidumbre ambiental.

El sistema de control de la célula bacteriana tiene una organización jerárquica. ^{[ 16 ]} El subsistema de señalización y control interactúa con el entorno mediante módulos sensoriales ubicados principalmente en la superficie celular. La lógica de la red genética responde a las señales recibidas del entorno y de los sensores internos del estado celular para adaptar la célula a las condiciones actuales. Una función principal del control de nivel superior es asegurar que las operaciones involucradas en el ciclo celular ocurran en el orden temporal adecuado. En Caulobacter , esto se logra mediante el circuito regulador genético compuesto por cinco reguladores maestros y una red de fosfoseñalización asociada. La red de fosfoseñalización monitorea el estado de progresión del ciclo celular y juega un papel esencial en la división celular asimétrica. El sistema de control del ciclo celular gestiona el momento y el lugar de inicio de la replicación cromosómica y la citocinesis , así como el desarrollo de orgánulos polares . Subyacentes a todas estas operaciones se encuentran los mecanismos para la producción de proteínas y componentes estructurales y la producción de energía. Los subsistemas metabólicos y catabólicos de mantenimiento celular proporcionan la energía y las materias primas moleculares para la síntesis de proteínas, la construcción de la pared celular y otras funciones celulares. Estas funciones de mantenimiento están acopladas bidireccionalmente al sistema de control del ciclo celular. Sin embargo, pueden adaptarse, de forma relativamente independiente de la lógica de control del ciclo celular, a los cambios en la composición y los niveles de las fuentes de nutrientes disponibles.

Las proteínas del sistema de control del ciclo celular de Caulobacter se conservan ampliamente en las alfaproteobacterias, pero la función final de este sistema regulador varía considerablemente entre las diferentes especies. Estos cambios evolutivos reflejan enormes diferencias entre las especies en cuanto a estrategias de adaptación y nichos ecológicos. Por ejemplo, Agrobacterium tumefaciens es un patógeno vegetal, Brucella abortus es un patógeno animal y Sinorhizobium meliloti es una bacteria del suelo que invade y se convierte en simbionte de los nódulos radiculares de las plantas que fijan nitrógeno; sin embargo, la mayoría de las proteínas del control del ciclo celular de Caulobacter también se encuentran en estas especies. El acoplamiento específico entre los componentes proteicos de la red de control del ciclo celular y la respuesta del circuito difiere entre especies. El patrón es que la funcionalidad interna del circuito de la red se conserva, pero el acoplamiento en los extremos del aparato regulador a las proteínas que controlan funciones celulares específicas difiere ampliamente entre las diferentes especies.

Caulobacter crescentus es un miembro de un grupo de bacterias que poseen la estructura del tallo, una extensión tubular del cuerpo celular. Sin embargo, el posicionamiento del tallo no se conserva necesariamente en el polo del cuerpo celular en diferentes especies estrechamente relacionadas. Específicamente, la investigación ha demostrado que no solo la posición del tallo puede cambiar, sino que el número también puede variar en el género estrechamente relacionado Asticcacaulis . ^{[ 17 ] [ 18 ]} Se ha demostrado que SpmX, una proteína localizada polarmente en Caulobacter crescentus, manipula el posicionamiento del tallo en estas especies de Asticcacaulis . ^{[ 17 ]} Presumiblemente, lo hace mediante una ganancia de función después de la expansión de la proteína de alrededor de 400 aminoácidos en Caulobacter crescentus a más de 800 aminoácidos en las especies de Asticcacaulis .

Caulobacter fue la primera bacteria asimétrica que mostró envejecimiento. La senescencia reproductiva se midió como la disminución en el número de progenie producida con el tiempo. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Sobre la base de estudios de evolución experimental en C. crescentus , Ackermann et al. ^{[ 19 ]} sugirieron que el envejecimiento es probablemente una propiedad fundamental de todos los organismos celulares. Un fenómeno similar se ha descrito desde entonces en la bacteria Escherichia coli , que da lugar a células hijas morfológicamente similares. ^{[ 21 ]}

En C. crescentus , la polaridad celular es fácilmente evidente por el ensamblaje de orgánulos polares y por la polarización del plano de división, lo que da como resultado la generación de progenie pedunculada que es más larga que la progenie móvil. La formación de nuevos polos celulares durante la división implica que la polaridad celular debe restablecerse en la progenie pedunculada e invertirse en la progenie móvil. ^{[ 22 ]}

El ciclo de vida de C. crescentus está regido por reguladores como TipN , una proteína del ciclo celular. Los datos de la Universidad de Yale sugieren firmemente un modelo en el que TipN regula la orientación del eje de polaridad al proporcionar una señal posicional del ciclo celular precedente. En este modelo, TipN especifica el sitio de la división más reciente al identificar el nuevo polo. La célula utiliza esta información posicional como fuente de asimetría intracelular para establecer y mantener la orientación del eje de polaridad, que es crucial para la morfogénesis y división polar. El reclutamiento de TipN a los polos nacientes al final del ciclo de división redefine la identidad de los polos y restablece la polaridad correcta en ambas células hijas futuras (con una inversión de polaridad en la célula enjambre). ^{[ 22 ]} La síntesis y eliminación reguladas por el ciclo celular de estas estructuras localizadas polarmente han proporcionado un campo fértil para la identificación de proteínas de referencia importantes para su correcta localización. ^{[ 23 ]} TipN tiene dos regiones transmembrana en la región N-terminal y un gran dominio de hélice enrollada C-terminal . Hay homólogos de TipN en otras alfaproteobacterias. TipN se localiza en el nuevo polo en ambas células hijas después de la división y se relocaliza en el sitio de división celular en la célula predivisional tardía. Por lo tanto, ambas células hijas tienen TipN en el nuevo polo después de la división. ^{[ 23 ]}

La proteína TipN, un marcador celular, es esencial para la correcta ubicación del flagelo. ^{[ 24 ]} Los mutantes que carecen de TipN presentan graves errores en el desarrollo. En lugar de producir un único flagelo en el polo celular correcto, la célula produce múltiples flagelos en diversas ubicaciones, incluso en el tallo. ^{[ 22 ]}

El desarrollo celular implica que muchas de estas proteínas trabajen juntas. La figura 1 muestra cómo TipN interactúa con otras dos proteínas polares  : el marcador flagelar PodJ y el marcador del tallo DivJ. ^{[ 25 ]}

• Caulobacter crescentus
• Las bacterias producen el pegamento más fuerte de la naturaleza.