Los contrastes y las sutilezas de la regulación genética en bacterias

M. en C. Gloria Alejandra Altamirano Cruz

Mi primer acercamiento a la ciencia ocurrió durante mis años de preparatoria. Durante ese tiempo, tuve la valiosa oportunidad de examinar un cultivo bacteriano, lo que marcó mi primera experiencia al observar microorganismos a detalle. Este momento de descubrimiento, despertó mi fascinación por un nuevo y diminuto universo, y fue este impulso el que me llevó a estudiar biología.

Durante mi preparación como bióloga, me introduje en un nuevo campo: la biología molecular. Esta disciplina desconocida para mí despertó un nuevo interés, y cuando llegó el momento de elegir un tema para desarrollar en mi tesis de licenciatura, opté por acudir al Instituto de Biotecnología de la UNAM, ya que es un lugar que cuenta con distintas áreas de enfoque científico, además de investigadores con gran conocimiento.

En mi búsqueda de un laboratorio, tuve la fortuna de entrevistarme con el Dr. Edmundo Calva Mercado; su trabajo y contribuciones a la ciencia abarcaban las dos áreas que más me apasionaban: las bacterias y la biología molecular (Figura 1). Con el paso del tiempo, pude llegar a conocer al Dr. Calva de manera más profunda, compartiendo su pasión por la filosofía, el arte y la ciencia. Esto me hizo comprender que todos los científicos debemos abrazar distintas disciplinas para cultivar un pensamiento crítico. Su entusiasmo por la investigación me inspiró a seguir “en busca de la belleza”, como él solía decir. Cada una de sus enseñanzas me condujo a desear realizar mis estudios de posgrado en el Instituto de Biotecnología, que él consideraba su segunda casa.

Durante el desarrollo de mi tesis de licenciatura tuve un acercamiento a preguntas y respuestas a detalles de la vida microbiana, conocimiento que el Dr. Edmundo compartía de manera amplia y accesible, algunas preguntas permitieron continuar con el desarrollo de proyectos como el mío.

La resiliencia bacteriana

En el vasto y asombroso mundo de los microorganismos, existe un fenómeno que capturó mi atención: la resiliencia bacteriana. ¿Cómo es posible que estos diminutos seres logren sobrevivir y prosperar en condiciones ambientales tan desafiantes, como el ácido del estómago, o cómo logran evadir las defensas del sistema inmunológico?

En este contexto, existen diversos géneros bacterianos que poseen estas habilidades, sin embargo, en este artículo nuestra protagonista será Salmonella serovar Typhi (S. Typhi), una bacteria patógena para los seres humanos, y que es responsable de la fiebre tifoidea, con especial énfasis en las contribuciones del Dr. Edmundo, un pionero en el estudio de esta bacteria en nuestro país.

En los últimos años, se ha estudiado cómo este patógeno bacteriano regula la expresión de sus genes, esto es, cómo se prenden y se apagan ciertos genes, con el objetivo de encontrar nuevas estrategias para combatir eficazmente esta enfermedad infecciosa.

S. Typhi posee diversos genes que contribuyen a su supervivencia. Cuando esta bacteria entra en contacto con su hospedero, se enfrenta a varios obstáculos microambientales, y activa ciertos genes que le ayudan a sobrevivir en estas condiciones.

Dentro de las bacterias, ocurre un proceso esencial y asombroso llamado transcripción. Podemos visualizarlo como el primer paso para elaborar una receta perfecta y deliciosa. En este caso, la receta es la información genética almacenada en el ADN de la bacteria, y la transcripción se asemeja a la acción de copiar dicha receta. La enzima clave en este proceso funciona como una hábil máquina de escribir, y se conoce como RNA polimerasa. Su función es reconocer secuencias específicas en el ADN, denominadas promotores, que señalan el inicio de la receta. Una vez que la RNA polimerasa identifica el promotor correcto, comienza a copiar la receta, marcando así el inicio de la transcripción (Figura 2).

Existen ocasiones en las que la maquinaria de la transcripción requiere tomar un descanso, algo similar a una pausa para que le permita recuperar energías antes de continuar con sus funciones vitales. Este estado de descanso se llama “quiescente".

El mundo quiescente

Los genes quiescentes son aquellos que están presentes en el genoma, pero no están siendo expresados (esto es, “prendidos”) hasta que llega el momento específico; y en este momento puede darse en respuesta a ciertas condiciones ambientales. Un claro ejemplo de expresión sutil y control transcripcional ocurre en el gen leuO. A diferencia de otros genes, leuO no se expresa hasta que la bacteria lo requiera, lo que hace que esté regulado por distintos factores. Este fue el tema sobre el que desarrollé mi trabajo de maestría en el IBt, bajo la dirección del Dr. Calva, quien tristemente ya no estuvo en mi examen de titulación.

Un factor central en la regulación del gen leuO es la interferencia transcripcional. Este fenómeno surge debido a la colocación opuesta de 2 de los 7 promotores del gen. Estos promotores compiten por influir en la RNA polimerasa, la enzima encargada de la transcripción. Esta competencia culmina en la preferencia por un promotor sobre el otro, lo que provoca la activación de la transcripción en uno y la inhibición en el otro. Esta competencia y selección son cruciales para mantener el gen en su estado quiescente y fue lo que estudié experimentalmente mi tesis de Maestría [1].

Aparte de esta rivalidad entre los promotores, también existen "guardias" celulares que regulan el acceso de la máquina de copiado (ARN polimerasa) al gen. Estas "guardias" son las proteínas H-NS, Lrp y la pequeña molécula llamada ppGpp. En mi tesis demostré cómo, trabajando en conjunto, estas proteínas crean un escudo protector que mantiene a los promotores del gen leuO en un estado de reposo, evitando la producción de la proteína codificada. Sin embargo, cuando las condiciones se vuelven favorables, Salmonella tiene la capacidad de desviar la atención de estas proteínas, permitiendo que la transcripción se inicie y dando lugar a la producción de la proteína LeuO.

Interruptores moleculares

LeuO es una proteína que desempeña el papel de un controlador dual, que actúa tanto como un activador que activa la expresión de ciertos genes, como un represor que impide que esto ocurra. En términos técnicos, LeuO se clasifica como un regulador transcripcional, y su función abarca diversas áreas, incluyendo la regulación de la síntesis de genes de virulencia y la respuesta de la bacteria al estrés.

Para entender esto, puedes visualizar el ADN como una casa compuesta por varias habitaciones, en donde cada una de ellas representa un gen específico. Ahora imagina que los reguladores transcripcionales, como la proteína LeuO, son los interruptores que controlan el encendido de las luces en cada habitación. Según las necesidades y las circunstancias de la “casa” (esto es, el organismo), se activarán ciertos interruptores para iluminar algunas de las habitaciones, mientras que otros permanecerán en posición de apagado, manteniendo a esas habitaciones en la oscuridad.

En esencia, los factores transcripcionales regulan el proceso de encendido y apagado selectivo de genes específicos en respuesta a diversos cambios ambientales. Los resultados experimentales nos ayudan a comprender y aprender sobre la adaptabilidad y la resiliencia en el mundo natural, un enfoque que el Dr. Edmundo no solo valoró, sino que también abrazó profundamente.

La perspectiva del Dr. Edmundo en este sentido fue fundamental, reconociendo la importancia de estas investigaciones para arrojar luz sobre los secretos de los microorganismos. Además, su compromiso en el campo permitió una apreciación más profunda de cómo estos procesos pueden influir en otras áreas, incluyendo la medicina y la biotecnología

Gracias Dr. Edmundo Calva por todas sus enseñanzas; es un honor haber sido receptores de su sabiduría y por haber sembrado en mí y en sus estudiantes el ímpetu de hacer ciencia.

Referencias

1. Altamirano, G. (2023). Caracterización funcional del promotor antisentido P7 del gen leuO de Salmonella Typhi. Tesis de Maestría en Ciencias Bioquímicas, Instituto de Biotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México. (000839275).

Lecturas recomendadas

1. Wiesner, M., Silva, C., Calva, E. (2015). La genética bacteriana: ambiente, evolución y patogénesis. En: Temas Selectos de Microbiología Clínica e Infectología. (pp. 29-61). ISBN: 9786075023830. DOI: 10.25009/uv.1518.155. Universidad Veracruzana.
2. Zaidi, M. B., López, C., & Calva, E. (2006). Estudios mexicanos sobre Salmonella: epidemiología, vacunas y biología molecular. Rev Latinoam Microbiol, 48 (2), 121-125.
3. Fernández-Mora, M., Sánchez-Popoca, D., Altamirano-Cruz, G., López-Méndez, G., Téllez-Galicia, A. T., Guadarrama, C., & Calva, E. (2021). The S. Typhi leuO gene contains multiple functional promoters. Journal of Medical Microbiology, 70 (9), 001418. En este artículo científico, en el que participo como co-autora, se reportó, por primera vez, que S. Typhi tiene varios promotores funcionales para el gen de la proteína leuO.


Comparte este artículo en redes sociales