Transcriptomic analysis of a classical model of carbon catabolite regulation in Streptomyces coelicolor
Creators
- 1. Universidad Nacional Autónoma de México
Description
In the genus Streptomyces, one of the most remarkable control mechanisms of physiological processes is carbon catabolite repression (CCR). This mechanism regulates the expression of genes involved in the uptake and utilization of alternative carbon sources. CCR also affects the synthesis of secondary metabolites and morphological differentiation. Even when the outcome effect of CCR in different bacteria is the same, their essential mechanisms can be quite different. In several streptomycetes glucose kinase (Glk) represents the main glucose phosphorylating enzyme and has been regarded as a regulatory protein in CCR. To evaluate the paradigmatic model proposed for CCR in Streptomyces, a high-density microarray approach was applied to Streptomyces coelicolor M145, under repressed and non-repressed conditions. The transcriptomic study was extended to assess the ScGlk role in this model by comparing the transcriptomic profile of S. coelicolor M145 with that of a ∆glk mutant derived from the wild-type strain, complemented with a heterologous glk gene from Zymomonas mobilis (Zmglk), insensitive to CCR but able to grow in glucose (ScoZm strain).Microarray experiments revealed that glucose influenced the expression of 651 genes. Interestingly, even when the ScGlk protein does not have DNA binding domains and the glycolytic flux was restored by a heterologous glucokinase, the ScGlk replacement modified the expression of 134 genes. From these, 91 were also affected by glucose while 43 appeared to be under the control of ScGlk. This work identified the expression of S. coelicolor genes involved in primary metabolism that were influenced by glucose and/or ScGlk. Aside from describing the metabolic pathways influenced by glucose and/or ScGlk, several unexplored transcriptional regulators involved in the CCR mechanism were disclosed.The transcriptome of a classical model of CCR was studied in S. coelicolor to differentiate between the effects due to glucose or ScGlk in this regulatory mechanism. Glucose elicited important metabolic and transcriptional changes in this microorganism. While its entry and flow through glycolysis and pentose phosphate pathway were stimulated, the gluconeogenesis was inhibited. Glucose also triggered the CCR by repressing transporter systems and the transcription of enzymes required for secondary carbon sources utilization. Our results confirm and update the agar model of the CCR in Streptomyces and its dependence on the ScGlk per se. Surprisingly, the expected regulatory function of ScGlk was not found to be as global as thought before (only 43 out of 779 genes were affected), although may be accompanied or coordinated by other transcriptional regulators. Aside from describing the metabolic pathways influenced by glucose and/or ScGlk, several unexplored transcriptional regulators involved in the CCR mechanism were disclosed. These findings offer new opportunities to study and understand the CCR in S. coelicolor by increasing the number of known glucose and ScGlk -regulated pathways and a new set of putative regulatory proteins possibly involved or controlling the CCR.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
في جنس Streptomyces، واحدة من أبرز آليات التحكم في العمليات الفسيولوجية هي قمع هدم الكربون (CCR). تنظم هذه الآلية التعبير عن الجينات المشاركة في امتصاص واستخدام مصادر الكربون البديلة. يؤثر CCR أيضًا على تخليق المستقلبات الثانوية والتمايز المورفولوجي. حتى عندما يكون تأثير نتيجة CCR في البكتيريا المختلفة هو نفسه، يمكن أن تكون آلياتها الأساسية مختلفة تمامًا. في العديد من العقديات، يمثل كيناز الجلوكوز (Glk) إنزيم فسفرة الجلوكوز الرئيسي وقد تم اعتباره بروتينًا تنظيميًا في CCR. لتقييم النموذج النموذجي المقترح لـ CCR في Streptomyces، تم تطبيق نهج المصفوفة الدقيقة عالية الكثافة على Streptomyces celicolor M145، في ظل ظروف مكبوتة وغير مكبوتة. تم توسيع نطاق الدراسة النصية لتقييم دور ScGlk في هذا النموذج من خلال مقارنة ملف تعريف transcriptomic لـ S. coelicolor M145 مع ملف تعريف طفرة glk المشتقة من سلالة من النوع البري، تكملها جين glk غير متجانس من Zymomonas mobilis (Zmglk)، غير حساس لـ CCR ولكنه قادر على النمو في الجلوكوز (سلالة ScoZm). كشفت تجارب المصفوفة الدقيقة أن الجلوكوز أثر على تعبير 651 جينًا. ومن المثير للاهتمام، حتى عندما لا يحتوي بروتين ScGlk على نطاقات ربط الحمض النووي وتم استعادة التدفق السكري بواسطة الجلوكوكيناز غير المتجانس، قام استبدال ScGlk بتعديل تعبير 134 جينًا. من بين هؤلاء، تأثر 91 أيضًا بالجلوكوز بينما بدا 43 تحت سيطرة ScGlk. حدد هذا العمل تعبير جينات S. coelicolor المشاركة في الأيض الأولي التي تأثرت بالجلوكوز و/أو ScGlk. بصرف النظر عن وصف المسارات الأيضية المتأثرة بالجلوكوز و/أو ScGlk، تم الكشف عن العديد من منظمات النسخ غير المستكشفة المشاركة في آلية CCR. تمت دراسة النسخ لنموذج كلاسيكي من CCR في S. coelicolor للتمييز بين التأثيرات الناجمة عن الجلوكوز أو ScGlk في هذه الآلية التنظيمية. أثار الجلوكوز تغييرات مهمة في التمثيل الغذائي والنسخ في هذا الكائن الدقيق. في حين تم تحفيز دخوله وتدفقه من خلال مسار تحلل السكر وفوسفات البنتوز، تم تثبيط تكوين الجلوكوز. كما أثار الجلوكوز CCR عن طريق قمع أنظمة النقل ونسخ الإنزيمات المطلوبة لاستخدام مصادر الكربون الثانوية. تؤكد نتائجنا وتحدّث نموذج أجار CCR في Streptomyces واعتماده على ScGlk في حد ذاته. ومن المثير للدهشة أن الوظيفة التنظيمية المتوقعة لـ ScGlk لم تكن عالمية كما كان يعتقد من قبل (تأثر 43 جينًا فقط من أصل 779 جينًا)، على الرغم من أنه قد تكون مصحوبة أو منسقة من قبل منظمي النسخ الآخرين. بصرف النظر عن وصف المسارات الأيضية المتأثرة بالجلوكوز و/أو ScGlk، تم الكشف عن العديد من منظمات النسخ غير المستكشفة المشاركة في آلية CCR. توفر هذه النتائج فرصًا جديدة لدراسة وفهم CCR في S. coelicolor من خلال زيادة عدد المسارات المعروفة التي ينظمها الجلوكوز و ScGlk ومجموعة جديدة من البروتينات التنظيمية المفترضة التي ربما تكون متورطة أو تتحكم في CCR.Translated Description (French)
Dans le genre Streptomyces, l'un des mécanismes de contrôle des processus physiologiques les plus remarquables est la répression des catabolites de carbone (CCR). Ce mécanisme régule l'expression des gènes impliqués dans l'absorption et l'utilisation de sources de carbone alternatives. La CCR affecte également la synthèse des métabolites secondaires et la différenciation morphologique. Même lorsque l'effet de la CCR sur les résultats chez différentes bactéries est le même, leurs mécanismes essentiels peuvent être très différents. Dans plusieurs streptomycètes, la glucose kinase (Glk) représente la principale enzyme de phosphorylation du glucose et a été considérée comme une protéine régulatrice dans la RCC. Pour évaluer le modèle paradigmatique proposé pour la CCR chez Streptomyces, une approche de microréseau à haute densité a été appliquée à Streptomyces coelicolor M145, dans des conditions réprimées et non réprimées. L'étude transcriptomique a été étendue pour évaluer le rôle de ScGlk dans ce modèle en comparant le profil transcriptomique de S. coelicolor M145 avec celui d'un mutant ∆glk dérivé de la souche sauvage, complété par un gène glk hétérologue de Zymomonas mobilis (Zmglk), insensible à la CCR mais capable de croître dans le glucose (souche ScoZm) .Les expériences de microréseaux ont révélé que le glucose influençait l'expression de 651 gènes. Fait intéressant, même lorsque la protéine ScGlk ne possède pas de domaines de liaison à l'ADN et que le flux glycolytique a été restauré par une glucokinase hétérologue, le remplacement de ScGlk a modifié l'expression de 134 gènes. Parmi ceux-ci, 91 étaient également affectés par le glucose tandis que 43 semblaient être sous le contrôle de ScGlk. Ce travail a permis d'identifier l'expression des gènes de S. coelicolor impliqués dans le métabolisme primaire qui étaient influencés par le glucose et/ou ScGlk. En plus de décrire les voies métaboliques influencées par le glucose et/ou ScGlk, plusieurs régulateurs transcriptionnels inexplorés impliqués dans le mécanisme CCR ont été divulgués. Le transcriptome d'un modèle classique de CCR a été étudié chez S. coelicolor pour différencier les effets dus au glucose ou à ScGlk dans ce mécanisme régulateur. Le glucose a provoqué d'importants changements métaboliques et transcriptionnels chez ce micro-organisme. Alors que son entrée et son écoulement par la voie de la glycolyse et du pentose phosphate étaient stimulés, la gluconéogenèse était inhibée. Le glucose a également déclenché le CCR en réprimant les systèmes de transport et la transcription des enzymes nécessaires à l'utilisation des sources de carbone secondaires. Nos résultats confirment et actualisent le modèle agar du CCR chez Streptomyces et sa dépendance au ScGlk per se. Étonnamment, la fonction régulatrice attendue de ScGlk n'a pas été trouvée aussi globale qu'on le pensait auparavant (seuls 43 des 779 gènes ont été affectés), bien qu'elle puisse être accompagnée ou coordonnée par d'autres régulateurs transcriptionnels. En plus de décrire les voies métaboliques influencées par le glucose et/ou ScGlk, plusieurs régulateurs transcriptionnels inexplorés impliqués dans le mécanisme CCR ont été divulgués. Ces résultats offrent de nouvelles opportunités d'étudier et de comprendre le CCR chez S. coelicolor en augmentant le nombre de voies de régulation du glucose et du ScGlk connues et un nouvel ensemble de protéines régulatrices putatives éventuellement impliquées ou contrôlant le CCR.Translated Description (Spanish)
En el género Streptomyces, uno de los mecanismos de control más notables de los procesos fisiológicos es la represión de catabolitos de carbono (CCR). Este mecanismo regula la expresión de genes implicados en la captación y utilización de fuentes alternativas de carbono. La RCC también afecta a la síntesis de metabolitos secundarios y a la diferenciación morfológica. Incluso cuando el efecto final de la RCC en diferentes bacterias es el mismo, sus mecanismos esenciales pueden ser bastante diferentes. En varios estreptomicetos, la glucosa cinasa (Glk) representa la principal enzima fosforilante de glucosa y se ha considerado como una proteína reguladora en CCR. Para evaluar el modelo paradigmático propuesto para CCR en Streptomyces, se aplicó un enfoque de micromatrices de alta densidad a Streptomyces coelicolor M145, en condiciones reprimidas y no reprimidas. El estudio transcriptómico se amplió para evaluar el papel de ScGlk en este modelo comparando el perfil transcriptómico de S. coelicolor M145 con el de un mutante ∆glk derivado de la cepa de tipo salvaje, complementado con un gen glk heterólogo de Zymomonas mobilis (Zmglk), insensible a CCR pero capaz de crecer en glucosa (cepa ScoZm). Los experimentos de micromatriz revelaron que la glucosa influyó en la expresión de 651 genes. Curiosamente, incluso cuando la proteína ScGlk no tiene dominios de unión al ADN y el flujo glucolítico fue restaurado por una glucoquinasa heteróloga, el reemplazo de ScGlk modificó la expresión de 134 genes. De estos, 91 también se vieron afectados por la glucosa, mientras que 43 parecían estar bajo el control de ScGlk. Este trabajo identificó la expresión de genes de S. coelicolor implicados en el metabolismo primario que estaban influenciados por la glucosa y/o ScGlk. Además de describir las vías metabólicas influenciadas por la glucosa y/o ScGlk, se describieron varios reguladores transcripcionales inexplorados involucrados en el mecanismo de CCR. Se estudió el transcriptoma de un modelo clásico de CCR en S. coelicolor para diferenciar entre los efectos debidos a la glucosa o ScGlk en este mecanismo regulador. La glucosa provocó importantes cambios metabólicos y transcripcionales en este microorganismo. Si bien se estimuló su entrada y flujo a través de la vía de la glucólisis y la pentosa fosfato, se inhibió la gluconeogénesis. La glucosa también desencadenó el CCR al reprimir los sistemas transportadores y la transcripción de las enzimas necesarias para la utilización de fuentes secundarias de carbono. Nuestros resultados confirman y actualizan el modelo de agar del CCR en Streptomyces y su dependencia del ScGlk per se. Sorprendentemente, no se encontró que la función reguladora esperada de ScGlk fuera tan global como se pensaba antes (solo 43 de 779 genes se vieron afectados), aunque puede estar acompañada o coordinada por otros reguladores transcripcionales. Además de describir las vías metabólicas influenciadas por la glucosa y/o ScGlk, se describieron varios reguladores transcripcionales inexplorados involucrados en el mecanismo CCR. Estos hallazgos ofrecen nuevas oportunidades para estudiar y comprender el CCR en S. coelicolor al aumentar el número de vías conocidas reguladas por glucosa y ScGlk y un nuevo conjunto de proteínas reguladoras putativas posiblemente involucradas o controlando el CCR.Files
s12866-016-0690-y.pdf
Files
(2.7 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:d23adb2abb31989a052172930d264c80
|
2.7 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحليل ترانسكريبتومي لنموذج كلاسيكي لتنظيم هدم الكربون في ستريبتوميسيس سيليكولور
- Translated title (French)
- Analyse transcriptomique d'un modèle classique de régulation des catabolites de carbone chez Streptomyces coelicolor
- Translated title (Spanish)
- Análisis transcriptómico de un modelo clásico de regulación de catabolitos de carbono en Streptomyces coelicolor
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2344198593
- DOI
- 10.1186/s12866-016-0690-y
References
- https://openalex.org/W1510940677
- https://openalex.org/W1827848435
- https://openalex.org/W1908187956
- https://openalex.org/W1974716943
- https://openalex.org/W1981575342
- https://openalex.org/W1984092823
- https://openalex.org/W1984182389
- https://openalex.org/W1992180888
- https://openalex.org/W1993245659
- https://openalex.org/W1995354591
- https://openalex.org/W1998624234
- https://openalex.org/W2004659858
- https://openalex.org/W2004714181
- https://openalex.org/W2008343440
- https://openalex.org/W2010772976
- https://openalex.org/W2012564814
- https://openalex.org/W2012940246
- https://openalex.org/W2023950913
- https://openalex.org/W2035133853
- https://openalex.org/W2035421116
- https://openalex.org/W2036449301
- https://openalex.org/W2043497250
- https://openalex.org/W2048637284
- https://openalex.org/W2058256794
- https://openalex.org/W2062232551
- https://openalex.org/W2066007807
- https://openalex.org/W2067444373
- https://openalex.org/W2073518603
- https://openalex.org/W2074776737
- https://openalex.org/W2078591585
- https://openalex.org/W2082741638
- https://openalex.org/W2083591831
- https://openalex.org/W2090307824
- https://openalex.org/W2099824652
- https://openalex.org/W2108244474
- https://openalex.org/W2108529043
- https://openalex.org/W2113756362
- https://openalex.org/W2115878358
- https://openalex.org/W2118762870
- https://openalex.org/W2118796701
- https://openalex.org/W2123722285
- https://openalex.org/W2123793235
- https://openalex.org/W2128601422
- https://openalex.org/W2129282478
- https://openalex.org/W2137022607
- https://openalex.org/W2139640138
- https://openalex.org/W2140216243
- https://openalex.org/W2140653551
- https://openalex.org/W2145526497
- https://openalex.org/W2154197722
- https://openalex.org/W2155662947
- https://openalex.org/W2159450089
- https://openalex.org/W2160541874
- https://openalex.org/W2168420558
- https://openalex.org/W2169942471
- https://openalex.org/W280973352
- https://openalex.org/W4230770774
- https://openalex.org/W4249758294
- https://openalex.org/W598145491