Characterization of cell integrity of Planctomycetes species : signaling and DNA protection

Abstract

Os Planctomycetes são um grupo notável de bactérias que devido às suas características invulgares: divisão por gemulação, paredes celulares sem peptidoglicano e estrutura celular compartimentalizada apresentam relevância crescente em vários domínios científicos como a evolução, biologia celular, ecologia e genómica. Estudos de ecologia molecular microbiana evidenciaram que os Plancomycetes são organismos abundantes em habitats terrestres e aquáticos, desempenhando um papel preponderante nos equilíbrios dos mesmos. Embora seja conhecida a sua grande dispersão, os processos fisiológicos e metabólicos subjacentes a esta ubiquidade permanecem por esclarecer. As vias de sinalização celular permitem a adaptação a ambientes em constante mudança e são determinantes para sobrevivência dos organismos. Para os Planctomycetes, um aspecto importante a ter em conta no que se refere à ecologia prende-se com a resistência a radiação Ultravioleta (UV), principalmente para as espécies marinhas. O presente trabalho pretende caracterizar aspectos relacionados com a integridade celular de espécies marinhas de Planctomycetes após a exposição a radiação UV. Foi desenvolvido um novo método para detecção de danos de DNA em Planctomycetes, utilizado na caracterização da resistência à radiação UV de várias estirpes. Este trabalho foi complementado com testes de sobrevivência. O potencial efeito protector de extractos etanólicos de pigmentos de Planctomycetes foi também avaliado. Como as vias de sinalização mediadas por Mitogen-activated protein kinase (MAPK) regulam a resposta a diversos tipos de stress, espécies mutantes para componentes da via da Protein kinase C foram rastreados para resistência a radiação UVC para avaliar um possível envolvimento desta via na resposta à radiação UV. Potenciais homólogos de Planctomycetes foram também analisados. Este estudo multidisciplinar permitiu a caracterização de várias espécies marinhas de Planctomycetes quanto a danos de DNA e sobrevivência. Foi ainda demonstrado um possível envolvimento da via de sinalização mediada pela PKC na resposta de Saccharomyces cerevisiae a radiação UV. Os valores elevados de homologia entre os genes da levedura e de Planctomycetes podem indicar que este grupo depende de vias de sinalização complexas na manutenção da integridade celular.

The phylum Planctomycetes is a remarkable group of bacteria with increasing relevance in numerous fields of research such as evolution, cell biology, ecology and genomics due to its unusual characteristics: division by budding, peptidoglycan-less cell walls and compartmentalized cell structure. Molecular microbial ecology studies repeatedly provided evidence that Planctomycetes are abundant in terrestrial and marine habitats, underlying that these organisms play an important role in the ecology of the habitats. Although this wide known dispersion, still little is known about the physiology and metabolism underlying the geographic ubiquity of Planctomycetes. Signalling pathways are essential for adaptation to a constantly changing environment that imposes exposure to several kinds of stress and are essential for organism’s survival. One important aspect of Planctomycetes ecology is ultra-violet radiation (UV) resistance, at least in marine species. In this work, we aimed to characterize aspects of cell integrity of marine Planctomycetes species upon exposure to UV radiation related to DNA damage and signalling. A new DNA damage detection method was developed for Planctomycetes and used to evaluate DNA damage resistance of several strains together with survival tests. In addition, the potential protective role of ethanolic extracts of Planctomycetes pigments was also evaluated. As signalling pathways mediated by Mitogen-activated protein kinase (MAPK) regulate response to several types of stress, several mutant strains for the Protein kinase C cascade components were screened for UV resistance to evaluate the possible involvement on this pathway in UV response. Furthermore, several predicted homologous kinases of Planctomycetes were analysed. This multi disciplinary approach allowed us to characterize several marine Planctomycetes strains comparatively to DNA damage and survival. Furthermore, we were able to demonstrate that PKC mediated pathway is probably involved in UV response in Saccharomyces cerevisiae. The high homology values between Planctomycetes and Saccharomyces cerevisiae may indicate that Planctomycetes rely on evolved signalling pathways to maintain cell integrity.