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Operones no-contiguos: una nueva estrategia para coordinar la expresión de genes en bacterias

En esta tesis demostramos la existencia de un nivel superior de organización en la estructura del operón que denominamos operón no-contiguo y que consiste en un operón que contiene un gen o genes que se transcriben en la dirección opuesta al resto del operón. Esta nueva arquitectura de transcripción está ejemplificada por los genes menE-menC-MW1733-ytkD-MW1731 que están implicados en la síntesis de menaquinona en Staphylococcus aureus. Nuestros resultados indican que los genes menE-menC-ytkD-MW1731 se transcriben como una unidad de transcripción, mientras el gen MW1733, ubicado entre menC e ytkD, se transcribe en dirección opuesta. Esta organización genética genera transcritos solapantes cuya expresión está regulada a través del procesamiento mediado por RNasa III y por un mecanismo de interferencia transcripcional. El operón menE-menC-MW1733-ytkD-MW1731 es necesario para la síntesis de menaquinona, un intermediario de la cadena transportadora que tiene por función ceder los electrones a los citocromos. La sobreexpresión de MW1733 es capaz de reducir los niveles de menE-menC y en consecuencia la síntesis de menaquinona reduciendo la velocidad de crecimiento de la bacteria y produciendo colonias de tamaño muy pequeño, que se denominan Small Colony Variants (SCV). El fenotipo SCV es característico de aislados clínicos de S. aureus procedentes de infecciones persistentes y es un fenotipo que revierte cuando las bacterias se crecen en el laboratorio. Nuestros resultados indican que la arquitectura de transcripción del operón menE-menC‑MW1733-ytkD-MW1731 podría explicar la variación de fase característico del fenotipo SCV.

In this thesis, we report the existence of a higher level of organization in operon structure that we named non‑contiguous operon and consists in an operon containing a gene (s) that is transcribed in the opposite direction to the rest of the operon. This novel transcriptional architecture is exemplified by the genes menE-menC-MW1733-ytkD-MW1731 involved in menaquinone synthesis in the major human pathogen Staphylococcus aureus. We show that menE-menC‑ytkD‑MW1731 genes are transcribed as a single transcription unit whereas the MW1733 gene, located between menC and ytkD, is transcribed in the opposite direction. This genomic organization generates overlapping transcripts whose expression is mutually regulated by transcriptional interference and RNase III processing at the overlapping region.
The menE-menC-MW1733-ytkD-MW1731 operon is necessary for the synthesis of the menaquinone, an intermediary of the electron transport chain. Our results revealed that the overexpression of MW1733 can diminish the expression of MenE-MenC and the menaquinone synthesis and a consequence bacterial growth rate is reduced and form colonies of small size, currently known as Small Colony Variants (SCV). The SCV phenotype is characteristic of clinical isolates of S. aureus obtained from patients with persistent infections. The SCV phenotype is unstable and it reverts when bacteria are grown in the laboratory. Our results suggest that transcriptional organization of the menE-menC‑MW1733-ytkD-MW1731 non-contiguous operon may explain the phenotypic variation of the SCV phenotype.