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Tese de Doutorado
Documento
Autor
Nome completo
André Arashiro Pulschen
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2017
Orientador
Banca examinadora
Gueiros Filho, Frederico José (Presidente)
Baldini, Regina Lúcia
Galhardo, Rodrigo da Silva
Schechtman, Deborah
Spira, Beny
Título em português
Estudos da resposta estringente de Bacillus subtilis e busca por pequenas moléculas moduladoras de RelA
Palavras-chave em português
(p)ppGpp
Ácidos graxos
B. subtilis
Cerulenina
RelA
Resposta estringente
Resumo em português
Seja no meio ambiente, dentro de um hospedeiro ou em outro habitat, bactérias estarão frequentemente enfrentando condições adversas, como exposição a compostos antibacterianos ou carência nutricional. Em situações como essas, as bactérias são capazes de ativar a chamada resposta estringente, modulada pelo alarmônio (p)ppGpp. O acúmulo de (p)ppGpp promove a inibição da transcrição de rRNAs e tRNAs e a supressão do processo de tradução, e a ativação de operons de biossíntese de aminoácidos. Sabe-se também hoje que a resposta estringente está relacionada a outras importantes carências nutricionais em Escherichia coli, como a falta de ácidos graxos, porém não se sabe se o mesmo ocorre em Bacillus subtilis ou em outras Grampositivas. (p)ppGpp atua também direta e indiretamente em vários outros processos celulares, como motilidade, resistência a antibióticos, virulência e persistência, indicando que (p)ppGpp é um regulador central que integra informação metabólica e respostas adaptativas. O presente trabalho buscou estudar a correlação da resposta estringente de B. subtilis com a carência de ácidos graxos e a busca por pequenas moléculas capazes de modular RelA (a principal proteína envolvida na síntese de (p)ppGpp) e impedir o acúmulo de (p)ppGpp. Para a indução da carência de ácidos graxos, foram utilizadas duas estratégias; uso da droga Cerulenina (inibidor de FabF) e mutantes condicionais no gene FabF. Observou-se que mutantes incapazes de ativar a resposta estringente (cepa ppGpp(0) ou RelAD264G) apresentaram grande perda de viabilidade celular durante a carência de ácidos graxos, ao passo que a cepa selvagem manteve sua viabilidade celular. A causa da morte se deu majoritariamente devido ao colapso do potencial de membrana. Apesar de não termos observado aumento de (p)ppGpp nas células selvagens durante a carência de ácidos graxos, observou-se uma redução da razão GTP/ATP, ao passo que na cepa ppGpp(0), a razão GTP/ATP aumentou, devido ao acúmulo de GTP. O uso da droga decoinina, capaz de reduzir os níveis intracelulares de GTP, resgatou parcialmente a viabilidade da cepa e impediu a perda do potencial de membrana, indicando que os níveis de GTP são importantes durante a carência de ácidos graxos em B. subtilis. Para a triagem de pequenas moléculas inibidoras do acúmulo de (p)ppGpp, foi utilizada uma biblioteca de 2320 diferentes compostos químicos, e buscou-se drogas capazes de reverter o fenótipo de crescimento lento de cepas de B. subtilis que acumulam (p)ppGpp (via mutação pontual; mutante RelAH77A e via tratamento com o indutor hidroxamato de arginina) em meio rico. A primeira etapa selecionou 40 moléculas capazes de resgatar o crescimento de células tratadas com arginina-hidroxamato, porém apenas uma, salicilanilida, foi capaz de também resgatar o crescimento da cepa RelAH77A. Todavia, apesar de ser capaz de acelerar o crescimento de B. subtilis esse efeito é limitado. Diversos análogos de salicilanilida foram testados, porém não apresentaram efeito superior a salicilanilida para a reversão do fenótipo de crescimento lento de B. subtilis. Em adição, a droga não foi capaz de aumentar a sensibilidade dos organismos a diversos antibióticos testados, e aparentemente é incapaz de alterar os níveis internos de (p)ppGpp, porém é capaz de causar alterações nos níveis de ATP. Logo, acredita-se que o efeito observado para o crescimento das células seja devido a efeitos indiretos, possivelmente envolvendo alteração de outros nucleotídeos fosforilados.
Título em inglês
Studies of the stringent response of Bacillus subtilis and search for small molecules capable of modulating RelA activity
Palavras-chave em inglês
(p)ppGpp
B. subtilis
Cerulenin
Fatty acids
RelA
Stringent response
Resumo em inglês
In the environment, inside a host or other habitat, bacteria will always face adverse conditions, as for example exposure to antimicrobials or starvation. In situations like those, bacteria activate the stringent response, modulated by the alarmone (p)ppGpp. (p)ppGpp accumulation promotes inhibition of rRNA and tRNA transcription and suppression of translational process, at the same time that it activates several amino acid biosynthesis operons. It is known also that the stringent response it is related to other starvation stress in Escherichia coli, like lack of fatty acids, but there is no knowledge if the same occurs for Bacillus subtilis or other gram-positive bacteria. ppGpp acts directly and indirectly affecting several other cellular process, as motility, resistance to antibiotics, virulence and persistence, indicating that (p)ppGpp is a central regulator that integrates metabolic information and adaptive responses. This work aimed to study the correlation between the stringent response in B. subtilis with fatty acid starvation, and search for small moleculas capable of modulating RelA (the main enzyme responsible for ppGpp synthesis) and stop (p)ppGpp production. For fatty acid starvation induction, two strategies were used; use of the drug Cerulenin (inhibitor of the FabF protein) and conditional mutants of the FabF gene. We observed that mutants incapable of activating the stringent response (strains ppGpp(0) ou RelAD264G) presented great loss of viability during fatty acid starvation, whereas the wild-type strain keeps its viability. The main cause of death is due membrane rupture in some cells, but mainly due to membrane potential collapse. Although we did not observed increase of (p)ppGpp in wild-type strains during fatty acid starvation, we observed reduction in GTP/ATP ratios, a hallmark of (p)ppGpp production in gram-positive bacteria. In the strain ppGpp(0) GTP/ATP ratio increased, mainly due to GTP increase. Using the drug decoyinine, capable of reducing GTP levels, partially recued viability and protects cells of losing its membrane potential, indicating that GTP levels plays an important role during fatty acid starvation in B. subtilis. For the screening of small molecules capable of inhibit (p)ppGpp production, a library of 2320 different chemical compounds were used, and we looked for drugs capable of reverting the slow growth phenotype of B. subtilis strains with (p)ppGpp accumulation (using a mutant RelAH77A; and using a stringent response inductor, arginine hidroxamate). The first step selected for 40 molecules capable of rescuing the growth of cells treated with arginine hidroxamate, but only one drug, salicilanilyde could also rescue the growth of the strain RelAH77A. Although capable of rescuing growth of B. subtilis that accumulates (p)ppGpp, this rescue is limited. Several analogues of salicilanilyde were tested, but none were stronger than salicilanilyde itself in rescuing growth of slow growing strains of B. subtilis. In addition, the drug was not capable of increasing antibiotic sensibility and it is incapable of changing intracellular (p)ppGpp levels, but it does shifts ATP levels. Therefore, we believe that the observed effects of salicilanilyde is due indirect action, probably involving other phosphorylated nucleotides, rather than modifying (p)ppGpp levels
 
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Data de Publicação
2018-05-08
 
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