El sistema SOS és una xarxa multigénico induïble davant del dany al DNA. Les seves funcions estan relacionades amb la replicació, reparació del DNA, mutagènesi I control del cicle cel·lular. Aquesta xarxa ha estat caracteritzada per diferents bacteris grampositius i gramnegatius, trobant-se per a tots ells un motiu d'unió del seu repressor, la proteïna LexA.El present treball de Tesi es centra en la caracterització del motiu d'unió de la proteïna LexA a Xylella fastidiosa, Anabaena sp. i Fibrobacter succinogenes. Mitjançant recerques amb el programa TBLASTN, els gens lexA d'aquests microorganismes han estat identificats. Després de procedir a la seva clonació, els productes que codifiquen han estat expressats I purificats mitjançant sistemes d'afinitat a la cua d'histidines o a la GST. Assaigs de mobilitat electroforética i de footprinting utilitzant el promotor de lexA i proteïna purificada, ens han permès definir el motiu d'unió de la proteïna LexA a tots tres microorganismes: TTAGN6TACTA per a X. fastidiosa, RGTACNNNDGTWCB per a Anabaena i TGCNCN4GTGCA per a F. succinogenes.Aquests motius d'unió han estat utilitzats per determinar la composició del reguló LexA a l'ordre Xanthomonadals i als phyla Cianobacteris i Fibrobacter. Aquest estudi ens ha permès descriure una important variabilitat en la composició d'aquests regulons i la presència de gens induïbles davant del dany al DNA de manera independent de LexA a X.fastidiosa.Estudis de mutagènesis dirigida utilitzant les seqüències d'unió de la proteïna LexA a Anabaena i F. succinogenes i estudis filogenètics amb les proteïnes LexA i RecA ens han permès determinar la història evolutiva del motiu d'unió de LexA al Domini Bacteria, demostrant que a la subdivisió 'Alphaproteobacteria' s'ha perdut la còpia del gen lexA heretada verticalment essent la que presenten actualment aquests bacteris una adquisició per transferència horitzontal a partir d'un ancestre d'una cianobactèria o espècie relacionada.Els següents articles donen suport a les dades i conclusions del treball, que ha estat redactat com a compendi d'aquestes publicacions :Campoy, S., Mazón, G., Fernández de Henestrosa, A.R., Llagostera, M., Monteiro, P.B. i Barbé, J. 2002. A new regulatory DNA motif of the gamma subclass Proteobacteria: identification of the LexA protein binding site of the plant pathogen Xylella fastidiosa. Microbiology 148: 3583 - 3597.Mazón G., Lucena J.M., Campoy, S., Fernández de Henestrosa, A.R., Candau, P. i Barbé J. 2004. LexA-binding sequence in Gram-positive and cyanobacteria are closely related. Mol. Gen. Genomics 271: 40 - 49.Mazón, G., Erill, I., Campoy, S., Cortés, P., Forano, E. i Barbé, J. 2004. Reconstruction of the evolutionary history of the LexA binding sequence. Microbiology 150: 3783-3795. / The SOS network is a DNA-damage inducible multigenic network whose functions are involved in DNA replication, DNA repair, mutagenesis and control of cell cycle. This network has been characterized in different gram-positive and gram-negative bacterial species. A binding-motif for their repressor, the LexA protein, has been already determined.The present work focuses in the characterization of the LexA-binding motif of Xylella fastidiosa, Anabaena sp. and Fibrobacter succinogenes. Using TBLASTN searches, their respective lexA genes have been identified and cloned, and their products expressed and purified using histidine-tag and GST-tag systems. Electrophoretic mobility shift assays and foot-printing experiments performed using purified LexA proteins and their lexA promoter fragments revealed the presence of the specific LexA-binding motif for these microorganisms: TTAGN6TACTA for X. fastidiosa, RGTACNNNDGTWCB for Anabaena and TGCNCN4GTGCA for F. succinogenes.These three binding motifs have been used to elucidate the LexA regulon composition in the Order Xanthomonadales and the Cyanobacteria and Fibrobacter phyla, showing an important variability in their regulon composition and the presence of LexA-independent DNA-damage inducible genes in X. fastidiosa.Directed mutagenesis of the Anabaena and F. succinogenes LexA-binding sequences and phylogenetic analyses of LexA and RecA proteins have revealed the evolutionary history of the LexA-binding motif in the Bacteria Domain, with the loss of the vertically inherited lexA gene in 'Alphaproteobacteria' and the presence of a lateral gene transfer in these group resulting in a new lexA copy acquired from a cyanobacterium ancestor or related species.This work is supported on data published in the following papers:Campoy, S., Mazón, G., Fernández de Henestrosa, A.R., Llagostera, M., Monteiro, P.B. i Barbé, J. 2002. A new regulatory DNA motif of the gamma subclass Proteobacteria: identification of the LexA protein binding site of the plant pathogen Xylella fastidiosa. Microbiology 148: 3583 - 3597.Mazón G., Lucena J.M., Campoy, S., Fernández de Henestrosa, A.R., Candau, P. i Barbé J. 2004. LexA-binding sequence in Gram-positive and cyanobacteria are closely related. Mol. Gen. Genomics 271: 40 - 49.Mazón, G., Erill, I., Campoy, S., Cortés, P., Forano, E. i Barbé, J. 2004. Reconstruction of the evolutionary history of the LexA binding sequence. Microbiology 150: 3783-3795.

El sistema SOS de Escherichia coli ha sido durante mucho tiempo el modelo de referencia para su estudio en otras especies. Este sistema se encuentra en otros microorganismos incluyendo bacterias gramnegativas, grampositivas y otras. Recientemente se han encontrado diferencias entre las cajas SOS y los genes que integran el regulón SOS de E. coli con respecto a otras especies bacterianas.El propósito de este trabajo ha sido determinar y caracterizar las cajas SOS de dos especies bacterianas, Ralstonia metallidurans y Deinococcus radiodurans, pertenecientes a los grupos b-Proteobacterias y Deinococcus-Thermus, respectivamente.En primer lugar se realizó la clonación y secuenciación de los genes recA y lexA de R. metallidurans, el primero mediante hibridación con una sonda del gen recA de Agrobacterium tumefaciens y el segundo utilizando programas informáticos en los que se usó la secuencia del gen lexA de E. coli para identificar dicho gen en la secuencia parcial del genoma de R. metallidurans. Tras un análisis de sus regiones promotoras, se determinó que ambas contenían un motivo regulador, CTGT-N8-ACAG, idéntico al de E. coli.Se comprobó que esta caja reguladora era funcional tanto en R. metallidurans como en E. coli, evaluando su capacidad de inducir el gen recA frente a lesiones en el DNA. Adicionalmente se determinó que la caja SOS de este microorganismo se encontraba en varios genes que, en E. coli forman parte del regulón SOS, como recA, lexA y un hipotético gen de la familia impB/samB/mucB. En cambio, no se identificó dicha caja en los hipotéticos genes uvrA, ruvAB y dinG, los cuales, en E. coli, también integran el regulón SOS. Mediante el análisis cuantitativo por RT-PCR on-line de los tránscritos se demostró que la expresión de todos estos genes era inducible al lesionar el DNA. Asimismo, mediante ensayos de movilidad electroforética, utilizando extractos proteicos de LexA de E. coli purificada y extractos crudos de R. metallidurans y R. metallidurans LexA(Def), se determinó que la proteína LexA era la responsable de la regulación de los genes recA, lexA y el hipotético gen de la familia impB/samB/mucB. Por el contrario, los hipotéticos genes uvrA, ruvAB y dinG no están bajo el control de la proteína LexA. Por lo tanto, si bien R. metallidurans posee una caja SOS idéntica a la de E. coli, solo algunos de los genes integrados en el regulón SOS de E. coli forman parte de este regulón en R. metallidurans. Además, el hecho de que los hipotéticos genes uvrA, ruvAB y dinG sean inducibles por lesiones en el DNA indica que deben estar sometidos a algún control independiente de LexA.Para determinar la caja SOS de D. radiodurans, se procedió a clonar el gen lexA obteniéndose su secuencia mediante programas informáticos que permiten localizar secuencias de un genoma con un determinado grado de similitud a otras secuencias conocidas. Una vez clonado dicho gen, se sobreexpresó la proteína LexA de este microorganismo y el extracto proteico obtenido se utilizó para realizar ensayos de movilidad electroforética frente al promotor del gen lexA de D. radiodurans, demostrándose que el gen lexA se autorregula. Seguidamente y mediante ensayos de movilidad electroforética se acotó al máximo la región promotora del gen lexA hasta identificar un posible motivo regulador. Mediante mutagénesis dirigida de las diferentes bases de dicho motivo se determinó que la proteína LexA de D. radiodurans reconoce específicamente el palíndromo CTTG-N8-CAAG como motivo de unión, siendo las bases señaladas en negrita las más importantes para la unión proteína-DNA. Finalmente se demostró que otros genes como recA o el hipotético lexA2 no tienen la misma caja SOS ni son regulados por LexA. Se concluye que la proteína LexA de D. radiodurans tiene un motivo regulador diferente a los anteriormente descritos para otros grupos de microorganismos y que debe haber un tipo de regulación diferente a los anteriormente descritos para los genes involucrados en procesos reparativos. / The SOS system in Escherichia coli has been the reference model for its study of other species. This system is present in other microorganisms including gramnegative, grampositive and other bacteria. Lately, some differences have been found between E. coli and other bacterial species in the SOS boxes and genes that compose the SOS regulon.The purpose of this work is to determine and characterize SOS boxes from two bacterial species, Ralstonia metallidurans and Deinococcus radiodurans, belonging to the b-Proteobacteria and Deinococci group, respectively.First, recA and lexA genes from R. metallidurans were cloned and sequenced, the former one by a hybridisation using an Agrobacterium tumefaciens recA gene's probe. The latter one was isolated with the help of informatics' programs using E. coli 's lexA gene' s sequence to find this gene in the partial sequenced genome from R. metallidurans. The promoter regions of both genes were analysed and it was discovered that they have the regulating motif, CTG-N8-ACAG, identical with the one of E. coli.The functionality of this regulating box in R. metallidurans and E. coli was demonstrated by determining the recA gene expression due to damage induction in both species. It was also approved that this SOS box controls the expression of some genes like recA, lexA, and the hypothetical gene of impB/samB/mucB family, which are included in E. coli SOS regulon. In contrast, this SOS box was not identified in other hypothetical genes like uvrA, ruvAB and dinG, which normally belong to E. coli 's SOS regulon. It was demonstrated that all of these genes' expression was induced by DNA damage, using a RT-PCR on-line technique to quantitatively analyse the transcripts. Furthermore, EMSAs (Electrophoretic Mobility Shift Assay), using purified E. coli 's LexA protein and R. metallidurans and R. metallidurans LexA(Def) crude protein extracts, confirmed that the LexA protein was responsible for the regulation of recA, lexA, and the hypothetical gene of impB/samB/mucB family genes. In contrast, hypothetical genes uvrA, ruvAB and dinG are not under the LexA protein control. Therefore, only some genes from E. coli's regulon conform R. metallidurans SOS regulon, even though R. metallidurans has a SOS box identical to E. coli's. Moreover, the fact that hypothetical genes uvrA, ruvAB and dinG are induced by DNA damage indicates that they most likely are under a LexA independent control.To determine the SOS box from D. radiodurans, the lexA gene was cloned. It's sequence was obtained using informatics programs that allow to locate regions from a genome similar to other known sequences. After cloning the lexA gene, the D. radiodurans 's LexA protein was overexpressed, and the protein extract obtained was used to perform EMSAs with the promoter region from the lexA gene of this microorganism. It was proved that this gene regulates itself. Using the same technique, serial deletions of the lexA promoter region were done, identifying a possible regulating motif. Each of the bases conforming the motif were directly mutagenized and it was determined that the D. radiodurans LexA protein recognizes specifically the palindrome CTTG-N8-CAAG as union motif; the bold printed bases are the most important ones for DNA-protein union. Finally, it was shown that other genes like recA or hypothetical gene lexA2 do not have the same box, and that they are not regulated by the LexA protein. In conclusion, D. radiodurans LexA protein has a regulating motif different from the ones formerly known for other bacterial groups. Most likely, it must be a regulation system which is different from those already defined for genes involved in reparation.

Leptospira is a basal genus in an ancient group of bacteria, the spirochetes. The pathogenic species are responsible for leptospirosis, a disease with worldwide distribution and of public health importance in developed tropical countries. L. interrogans serovar Copenhageni is the agent for the majority of human leptospirosis in Brazil. In this work, we used a great variety of experimental approaches to characterize the SOS system in this serovar, to identify its impact in general DNA damage response, as well as to assess the DNA repair toolbox owned by pathogenic and saprophytic leptospires. We identified an additional repressor LexA, acquired by lateral gene transfer, exclusively in serovar Copenhageni. We also observed that UV-C irradiation led to massive death of cells and blockage of cell division in the survivors. Both repressors were active and we identified the sequences responsible for binding to promoters. However, the LexA1 SOS box was redefined after a de novo motif search on LexA1 ChIP-seq enriched sequences. This regulator was able to bind to at least 25 loci in the genome. DNA damage also caused a massive rearrangement of metabolism: increase in expression was observed in transposon and prophage genes, in addition to DNA repair pathways and mutagenesis inducers; on the other hand, motility, general metabolism and almost all virulence genes were repressed. Two induced prophages provided several proteins with useful functions. We also assessed the DNA repair-related genes presented by the three species of Leptospira: the saprophytic L. biflexa, the facultative pathogen L. interrogans and the obligatory pathogen L. borgpetersenii. There are more diversity and redundancy of repair genes in L. interrogans in comparison with the other species. Lateral gene transfer seems to be an important supplier of DNA repair functions. In addition, leptospires share characteristics of both Gram-positives and Gram-negatives bacteria. Representative genes from several different pathways were induced during infection of susceptible mice kidneys, suggesting DNA repair genes are active while causing disease. All these data suggest mobile genetic elements are the major forces in leptospiral evolution. Moreover, during DNA damage response, several SOS-dependent and independent mechanisms are employed to decrease cell growth and virulence in favor of controlled induction of mechanisms involved in genetic variability. / Leptospira é um gênero basal em um grupo já considerado um dos mais ancestrais, as espiroquetas. As espécies patogênicas são responsáveis pela leptospirose, uma doença presente em todo o mundo e de principal importância em países tropicais em desenvolvimento. L. interrogans sorovar Copenhageni é o agente da maior parte dos casos no Brasil. Nesse trabalho, utilizamos diversas abordagens experimentais para caracterizar o sistema SOS nesse sorovar, identificar seu impacto na resposta geral a danos no DNA, assim como avaliar as funções de reparo de DNA disponíveis em leptospiras patogênicas e saprofíticas. Identificamos um repressor LexA adicional, adquirido por transferência horizontal e exclusivo do sorovar Copenhageni. Observamos também que irradiação por UV-C causou significativa morte celular e bloqueio da divisão celular dos sobreviventes. Ambos os repressores são ativos e identificamos as sequências que utilizam para se ligar aos promotores dos genes regulados. Entretanto, o SOS box de LexA1 foi redefinido após uma busca de novo por motivos enriquecidos nas sequências recuperadas por ChIP-seq. Esse regulador ligou-se ao menos a 25 locais do genoma. A maioria desses alvos teve aumento de expressão após UV-C. Danos no DNA também causaram um importante rearranjo metabólico: houve aumento de expressão em transposons e profagos, além de indutores de mutagênese e vias de reparo; por outro lado, mobilidade, crescimento celular e quase todos os fatores de virulência foram reprimidos. Dois profagos induzidos durante essa resposta, possivelmente proporcionam algumas proteínas de funções importantes. Nós também avaliamos a presença de genes envolvidos no reparo de DNA em três espécies de leptospira: L. biflexa, L. interrogans e L. borgpetersenii. L. interrogans é a espécie com maior diversidade e redundância de genes de reparo. Além disso, transferência horizontal parece ser um importante fornecedor de funções de reparo nesse gênero. Leptospiras também apresentam genes característicos tanto de bactérias Gram-positivas quanto Gram-negativas. Genes representando diferentes vias de reparo foram induzidos durante infecção em modelo animal, sugerindo que essas vias estão ativas no curso da doença. Todos esses dados, em conjunto, sugerem que elementos genéticos móveis são de extrema importância na evolução do gênero e das vias de reparo. Assim, durante a resposta a danos no DNA, diversos mecanismos dependentes e independentes de SOS são empregados para frear o crescimento celular e virulência em favor da indução controlada de mecanismos para aumentar variabilidade genética.

A leptospirose é uma zoonose de importância mundial, e é causada por bactérias patogênicas do gênero Leptospira, pertencente à ordem Spirochaetales. Os seres humanos são hospedeiros acidentais e os surtos de leptospirose ocorrem em grandes centros urbanos após enchentes contaminadas por urina de ratos. Existem poucas informações a respeito de como Leptospira spp lida com situações de estresse induzidas pelo hospedeiro e pelo ambiente. O ferro é um íon essencial para a maioria dos seres vivos. A regulação de genes envolvidos por seu aporte e estoque na célula bacteriana é mediada por proteínas da família de reguladores transcricionais, Fur (ferric uptake regulator). L. interrogans sorovar Copenhageni possui quatro ortólogos para Fur, que foram alvo de estudo deste trabalho. A caracterização destes genes foi realizada através de estudos evolutivos, determinação do seu padrão de expressão em modelo animal e análise de modelagem estrutural. Durante o andamento do mestrado, ensaios paralelos revelaram resultados promissores na análise de expressão de genes relacionados ao sistema SOS, um mecanismo de resposta bacteriano a danos no material genético. Assim sendo, o estudo de caracterização de expressão em modelo animal suscetível e resistente à doença foi ampliado. Ensaios de qRT-PCR de cDNAs provenientes de pulmão, rim e fígado permitiram a identificação de dois genes que foram expressos quase que constitutivamente ao longo de toda a infecção em todos os órgãos e organismos estudados: fur979 e recA. Os demais foram requeridos em dias específicos da infecção. Quanto aos componentes do sistema SOS, observamos padrão de expressão específico para o rim, no quinto dia após a infecção. Para os estudos evolutivos de Fur foi gerada uma árvore filogenética que revelou o agrupamento de duas sequências da família Fur de Leptospira interrogans sorovar Copenhageni em ramos fechados com sequências muito similares a proteína Fur e Zur de Escherichia coli. Os outros dois ortólogos agruparam com as proteínas correspondentes nas demais espécies de Leptospira. Uma destas sequências apresentou padrão evolutivo específico dentre as espécies patogênicas. A modelagem da estrutura terciária, confirmou o padrão evolutivo obtido em nossa inferência filogenética. / Leptospirosis is a worldwide zoonosis caused by pathogenic bacteria from the genus Leptospira, order Spirochetales. Human beings are accidental hosts, and leptospirosis outbreaks occur in large urban centers after contact with contaminated waterby rodent urine. There are few informations concerning the mechanisms employed by Leptospira sppto deal with the stress induced by the host and the environment Iron is an essential ion to most of living beings. The regulation of genes involved in its uptake and maintenance in the bacterial cell is mediated by the transcriptional regulator family proteins, Fur (ferric uptake regulators). L. interrogans serovar Copenhageni possesses four orthologues for Fur, which were the focus of this work. The characterization of Leptospira Fur genes was done through evolutive studies, determination of their expression pattern on animal model and structural modeling analysis. In parallel, some experiments presented promising results for the expression analysis of genes related to the SOS system, a bacterial response mechanism to DNA damage. Therefore, the gene expression characterization on susceptible and resistant animal model was amplified. qRT-PCR experiments of cDNA from lung, kidney and liver allowed the identification of two genes expressed almost constitutively during the infection in all organs and organisms : fur979 and recA. The others were required in specific days of the infection. Curiously, the SOS system components showed specific expression pattern in the fifth day after inoculation, in kidney. For the Fur evolutive studies, a phylogenetic tree was inferred, revealing the clustering of two Fur family sequences from Leptospira interrogans serovar Copenhageni in closed branches with very similar sequences to Fur and Zur proteins from Escherichia coli. The other two orthologues clustered with corresponding proteins in the other Leptospira species. One of these sequences presented a specific evolutive pattern among pathogenic species. The tertiary structure modeling confirmed the evolutive pattern obtained in our phylogenetic inference.

Leptospira is a basal genus in an ancient group of bacteria, the spirochetes. The pathogenic species are responsible for leptospirosis, a disease with worldwide distribution and of public health importance in developed tropical countries. L. interrogans serovar Copenhageni is the agent for the majority of human leptospirosis in Brazil. In this work, we used a great variety of experimental approaches to characterize the SOS system in this serovar, to identify its impact in general DNA damage response, as well as to assess the DNA repair toolbox owned by pathogenic and saprophytic leptospires. We identified an additional repressor LexA, acquired by lateral gene transfer, exclusively in serovar Copenhageni. We also observed that UV-C irradiation led to massive death of cells and blockage of cell division in the survivors. Both repressors were active and we identified the sequences responsible for binding to promoters. However, the LexA1 SOS box was redefined after a de novo motif search on LexA1 ChIP-seq enriched sequences. This regulator was able to bind to at least 25 loci in the genome. DNA damage also caused a massive rearrangement of metabolism: increase in expression was observed in transposon and prophage genes, in addition to DNA repair pathways and mutagenesis inducers; on the other hand, motility, general metabolism and almost all virulence genes were repressed. Two induced prophages provided several proteins with useful functions. We also assessed the DNA repair-related genes presented by the three species of Leptospira: the saprophytic L. biflexa, the facultative pathogen L. interrogans and the obligatory pathogen L. borgpetersenii. There are more diversity and redundancy of repair genes in L. interrogans in comparison with the other species. Lateral gene transfer seems to be an important supplier of DNA repair functions. In addition, leptospires share characteristics of both Gram-positives and Gram-negatives bacteria. Representative genes from several different pathways were induced during infection of susceptible mice kidneys, suggesting DNA repair genes are active while causing disease. All these data suggest mobile genetic elements are the major forces in leptospiral evolution. Moreover, during DNA damage response, several SOS-dependent and independent mechanisms are employed to decrease cell growth and virulence in favor of controlled induction of mechanisms involved in genetic variability. / Leptospira é um gênero basal em um grupo já considerado um dos mais ancestrais, as espiroquetas. As espécies patogênicas são responsáveis pela leptospirose, uma doença presente em todo o mundo e de principal importância em países tropicais em desenvolvimento. L. interrogans sorovar Copenhageni é o agente da maior parte dos casos no Brasil. Nesse trabalho, utilizamos diversas abordagens experimentais para caracterizar o sistema SOS nesse sorovar, identificar seu impacto na resposta geral a danos no DNA, assim como avaliar as funções de reparo de DNA disponíveis em leptospiras patogênicas e saprofíticas. Identificamos um repressor LexA adicional, adquirido por transferência horizontal e exclusivo do sorovar Copenhageni. Observamos também que irradiação por UV-C causou significativa morte celular e bloqueio da divisão celular dos sobreviventes. Ambos os repressores são ativos e identificamos as sequências que utilizam para se ligar aos promotores dos genes regulados. Entretanto, o SOS box de LexA1 foi redefinido após uma busca de novo por motivos enriquecidos nas sequências recuperadas por ChIP-seq. Esse regulador ligou-se ao menos a 25 locais do genoma. A maioria desses alvos teve aumento de expressão após UV-C. Danos no DNA também causaram um importante rearranjo metabólico: houve aumento de expressão em transposons e profagos, além de indutores de mutagênese e vias de reparo; por outro lado, mobilidade, crescimento celular e quase todos os fatores de virulência foram reprimidos. Dois profagos induzidos durante essa resposta, possivelmente proporcionam algumas proteínas de funções importantes. Nós também avaliamos a presença de genes envolvidos no reparo de DNA em três espécies de leptospira: L. biflexa, L. interrogans e L. borgpetersenii. L. interrogans é a espécie com maior diversidade e redundância de genes de reparo. Além disso, transferência horizontal parece ser um importante fornecedor de funções de reparo nesse gênero. Leptospiras também apresentam genes característicos tanto de bactérias Gram-positivas quanto Gram-negativas. Genes representando diferentes vias de reparo foram induzidos durante infecção em modelo animal, sugerindo que essas vias estão ativas no curso da doença. Todos esses dados, em conjunto, sugerem que elementos genéticos móveis são de extrema importância na evolução do gênero e das vias de reparo. Assim, durante a resposta a danos no DNA, diversos mecanismos dependentes e independentes de SOS são empregados para frear o crescimento celular e virulência em favor da indução controlada de mecanismos para aumentar variabilidade genética.

A leptospirose é uma zoonose de importância mundial, e é causada por bactérias patogênicas do gênero Leptospira, pertencente à ordem Spirochaetales. Os seres humanos são hospedeiros acidentais e os surtos de leptospirose ocorrem em grandes centros urbanos após enchentes contaminadas por urina de ratos. Existem poucas informações a respeito de como Leptospira spp lida com situações de estresse induzidas pelo hospedeiro e pelo ambiente. O ferro é um íon essencial para a maioria dos seres vivos. A regulação de genes envolvidos por seu aporte e estoque na célula bacteriana é mediada por proteínas da família de reguladores transcricionais, Fur (ferric uptake regulator). L. interrogans sorovar Copenhageni possui quatro ortólogos para Fur, que foram alvo de estudo deste trabalho. A caracterização destes genes foi realizada através de estudos evolutivos, determinação do seu padrão de expressão em modelo animal e análise de modelagem estrutural. Durante o andamento do mestrado, ensaios paralelos revelaram resultados promissores na análise de expressão de genes relacionados ao sistema SOS, um mecanismo de resposta bacteriano a danos no material genético. Assim sendo, o estudo de caracterização de expressão em modelo animal suscetível e resistente à doença foi ampliado. Ensaios de qRT-PCR de cDNAs provenientes de pulmão, rim e fígado permitiram a identificação de dois genes que foram expressos quase que constitutivamente ao longo de toda a infecção em todos os órgãos e organismos estudados: fur979 e recA. Os demais foram requeridos em dias específicos da infecção. Quanto aos componentes do sistema SOS, observamos padrão de expressão específico para o rim, no quinto dia após a infecção. Para os estudos evolutivos de Fur foi gerada uma árvore filogenética que revelou o agrupamento de duas sequências da família Fur de Leptospira interrogans sorovar Copenhageni em ramos fechados com sequências muito similares a proteína Fur e Zur de Escherichia coli. Os outros dois ortólogos agruparam com as proteínas correspondentes nas demais espécies de Leptospira. Uma destas sequências apresentou padrão evolutivo específico dentre as espécies patogênicas. A modelagem da estrutura terciária, confirmou o padrão evolutivo obtido em nossa inferência filogenética. / Leptospirosis is a worldwide zoonosis caused by pathogenic bacteria from the genus Leptospira, order Spirochetales. Human beings are accidental hosts, and leptospirosis outbreaks occur in large urban centers after contact with contaminated waterby rodent urine. There are few informations concerning the mechanisms employed by Leptospira sppto deal with the stress induced by the host and the environment Iron is an essential ion to most of living beings. The regulation of genes involved in its uptake and maintenance in the bacterial cell is mediated by the transcriptional regulator family proteins, Fur (ferric uptake regulators). L. interrogans serovar Copenhageni possesses four orthologues for Fur, which were the focus of this work. The characterization of Leptospira Fur genes was done through evolutive studies, determination of their expression pattern on animal model and structural modeling analysis. In parallel, some experiments presented promising results for the expression analysis of genes related to the SOS system, a bacterial response mechanism to DNA damage. Therefore, the gene expression characterization on susceptible and resistant animal model was amplified. qRT-PCR experiments of cDNA from lung, kidney and liver allowed the identification of two genes expressed almost constitutively during the infection in all organs and organisms : fur979 and recA. The others were required in specific days of the infection. Curiously, the SOS system components showed specific expression pattern in the fifth day after inoculation, in kidney. For the Fur evolutive studies, a phylogenetic tree was inferred, revealing the clustering of two Fur family sequences from Leptospira interrogans serovar Copenhageni in closed branches with very similar sequences to Fur and Zur proteins from Escherichia coli. The other two orthologues clustered with corresponding proteins in the other Leptospira species. One of these sequences presented a specific evolutive pattern among pathogenic species. The tertiary structure modeling confirmed the evolutive pattern obtained in our phylogenetic inference.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / A célula epitelial é o primeiro contato entre os micro-organismos e o hospedeiro. Essa interação pode levar a produção de diversas citocinas, quimiocinas, moléculas inflamatórias e também estimular a geração de espécies reativas de oxigênio (ERO). Neste trabalho avaliamos se a interação com as células HEp-2 poderia ser genotóxica para os mutantes derivados de Escherichia coli K-12 deficientes em algumas enzimas que fazem parte do sistema de reparo por excisão de base (BER). Além disto, avaliamos a expressão do sistema SOS, que é induzido pela presença de danos no genoma bacteriano. Os resultados obtidos mostraram a presença de filamentos, na interação com células HEp-2, principalmente, no mutante xthA (BW9091) e no triplo mutante xthA nfo nth (BW535). Quando a interação foi quantificada na ausência da D-manose, observamos um aumento das bactérias aderidas. Além disto, a quantidade e o tamanho dos filamentos também aumentaram, mostrando que as adesinas manose-sensíveis estavam envolvidas na filamentação bacteriana. Para comprovar se o aumento da filamentação observada neste ensaio foram uma consequência da indução do sistema SOS, desencadeada pela interação com as células HEp-2, quantificamos a expressão do SOS, na presença e na ausência da D-manose. De fato, observamos que a indução do SOS na ausência da D-manose foi maior, quando comparada, com o ensaio realizado na presença de D-manose. Além disto, observamos que a ausência de xthA foi importante para o aumento da filamentação observada na ausência de D-manose. Diante destes resultados, verificamos se a resposta de filamentação ocorreria quando as bactérias interagiam com uma superfície abiótica como o vidro. Observamos também inúmeros filamentos nos mutantes BER, BW9091 e BW535, quando comparados a cepa selvagem AB1157. Essa filamentação foi associada à indução do SOS, em resposta a interação das bactérias com o vidro. Em parte a filamentação e a indução do SOS observadas na interação ao vidro, foram associadas à produção de ERO. Quantificamos também o número de bactérias aderidas e observamos que as nossas cepas formavam biofilmes moderados. Contudo, a formação de biofilme dependia da capacidade da bactéria induzir o sistema SOS, tanto em aerobiose como em anaerobiose. A tensão do oxigênio foi importante para interação dos mutantes BER, uma vez que os mutantes BW9091 e BW535 apresentaram uma quantidade de bactérias aderidas menor em anaerobiose. Contudo, a diminuição observada não estava vinculada a morte dos mutantes BER. Também realizamos microscopia de varredura na cepa selvagem e nos mutantes, BW9091 e BW535 e confirmamos que as três cepas formavam biofilmes tanto em aerobiose como em anaerobiose. Observamos uma estrutura sugestiva de matriz extracelular envolvendo os biofilmes da cepa selvagem AB1157 e do mutante BW9091. No entanto, a formação desta estrutura por ambas as cepas dependia da tensão de oxigênio, pois nos biofilmes formados em anaerobiose essa estrutura estava ausente. Em conclusão, mostramos que na interação das bactérias com a superfície biótica e abiótica, ocorreu lesão no genoma, com indução do SOS e a resposta de filamentação associada. / The epithelial cell is the first contact between microorganisms and host. This interaction results in production of several cytokines, chemokines, and inflammatory molecules by epithelial cells and also stimulate the generation of reactive oxygen species (ROS). In the present study, we have evaluated whether the interaction to HEp-2 cells causes genotoxicity to mutants derived from Escherichia coli K-12 deficient in some enzymes that are part of the system of base excision repair (BER). Moreover, we measured the expression of SOS system, which is induced by the presence of damage to the bacterial genome. Our results showed mainly presence of filamentous bacterial growth in xthA mutant (BW9091) and triple xthA nfo nth mutant (BW535) when submitted to HEp-2 cells interaction assays. When experiments were performed in the absence of mannose, data showed enhanced interaction of viable bacteria to HEp-2 cells for all strains tested. Furthermore, the removal of D-mannose resulted in an increase in both number and size of bacterial filamentous forms, indicating the involvement of mannose-sensitive adhesins in the filamentation of these strains. In order to verify whether the increased filamentation growth in this assay was a consequence of SOS induction, triggered by interaction to HEp-2 cells, we measured expression of SOS in the presence and absence of D-mannose. Indeed, we observed higher expression of SOS response in the absence of mannose than in experiments performed in the presence of D-mannose. Moreover, we observed that the absence of xthA was important to filamentation increasing in absence of D-mannose. Based on these results, we verified if interaction to abiotic surfaces, like glass, could lead to filamentation of these strains. We also observed numerous filaments in BER mutants, BW9091 and BW535, when compared to wild-type strain AB1157. The filamentation observed was a consequence of SOS induction, triggered by attachment to the glass surface. In part, the filamentation and SOS induction observed in these experiments were related to ROS production. We also quantified interacted bacterial cells and it was observed moderated biofilm formation in all strains tested. However, biofilm formation depended on the ability of the bacteria to induce the SOS response, under both aerobic and anaerobic conditions. The oxygen tension was important factor for interaction of the BER mutants, since these mutants exhibited decreased quantitative adherence under anaerobic conditions. However, this decrease was not related to BER mutants death. Scanning electron microscopy was also performed in the wild-type strain and BER mutants (BW9091 e BW535) and biofilm formation was confirmed under both aerobic and anaerobic conditions. We observed a structure similar to a extracellular matrix which involved biofilms of wild type strain (AB1157) and xthA mutant (BW9091). However, the formation of this structure by both strains depended on the oxygen tension, since biofilm formation, under anaerobiosis condition, did not presented this structure. In conclusion, was provided that bacterial interaction to biotic and abiotic surfaces can lead to damage of bacterial genome, resulting in SOS induction and associated filamentation.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / A célula epitelial é o primeiro contato entre os micro-organismos e o hospedeiro. Essa interação pode levar a produção de diversas citocinas, quimiocinas, moléculas inflamatórias e também estimular a geração de espécies reativas de oxigênio (ERO). Neste trabalho avaliamos se a interação com as células HEp-2 poderia ser genotóxica para os mutantes derivados de Escherichia coli K-12 deficientes em algumas enzimas que fazem parte do sistema de reparo por excisão de base (BER). Além disto, avaliamos a expressão do sistema SOS, que é induzido pela presença de danos no genoma bacteriano. Os resultados obtidos mostraram a presença de filamentos, na interação com células HEp-2, principalmente, no mutante xthA (BW9091) e no triplo mutante xthA nfo nth (BW535). Quando a interação foi quantificada na ausência da D-manose, observamos um aumento das bactérias aderidas. Além disto, a quantidade e o tamanho dos filamentos também aumentaram, mostrando que as adesinas manose-sensíveis estavam envolvidas na filamentação bacteriana. Para comprovar se o aumento da filamentação observada neste ensaio foram uma consequência da indução do sistema SOS, desencadeada pela interação com as células HEp-2, quantificamos a expressão do SOS, na presença e na ausência da D-manose. De fato, observamos que a indução do SOS na ausência da D-manose foi maior, quando comparada, com o ensaio realizado na presença de D-manose. Além disto, observamos que a ausência de xthA foi importante para o aumento da filamentação observada na ausência de D-manose. Diante destes resultados, verificamos se a resposta de filamentação ocorreria quando as bactérias interagiam com uma superfície abiótica como o vidro. Observamos também inúmeros filamentos nos mutantes BER, BW9091 e BW535, quando comparados a cepa selvagem AB1157. Essa filamentação foi associada à indução do SOS, em resposta a interação das bactérias com o vidro. Em parte a filamentação e a indução do SOS observadas na interação ao vidro, foram associadas à produção de ERO. Quantificamos também o número de bactérias aderidas e observamos que as nossas cepas formavam biofilmes moderados. Contudo, a formação de biofilme dependia da capacidade da bactéria induzir o sistema SOS, tanto em aerobiose como em anaerobiose. A tensão do oxigênio foi importante para interação dos mutantes BER, uma vez que os mutantes BW9091 e BW535 apresentaram uma quantidade de bactérias aderidas menor em anaerobiose. Contudo, a diminuição observada não estava vinculada a morte dos mutantes BER. Também realizamos microscopia de varredura na cepa selvagem e nos mutantes, BW9091 e BW535 e confirmamos que as três cepas formavam biofilmes tanto em aerobiose como em anaerobiose. Observamos uma estrutura sugestiva de matriz extracelular envolvendo os biofilmes da cepa selvagem AB1157 e do mutante BW9091. No entanto, a formação desta estrutura por ambas as cepas dependia da tensão de oxigênio, pois nos biofilmes formados em anaerobiose essa estrutura estava ausente. Em conclusão, mostramos que na interação das bactérias com a superfície biótica e abiótica, ocorreu lesão no genoma, com indução do SOS e a resposta de filamentação associada. / The epithelial cell is the first contact between microorganisms and host. This interaction results in production of several cytokines, chemokines, and inflammatory molecules by epithelial cells and also stimulate the generation of reactive oxygen species (ROS). In the present study, we have evaluated whether the interaction to HEp-2 cells causes genotoxicity to mutants derived from Escherichia coli K-12 deficient in some enzymes that are part of the system of base excision repair (BER). Moreover, we measured the expression of SOS system, which is induced by the presence of damage to the bacterial genome. Our results showed mainly presence of filamentous bacterial growth in xthA mutant (BW9091) and triple xthA nfo nth mutant (BW535) when submitted to HEp-2 cells interaction assays. When experiments were performed in the absence of mannose, data showed enhanced interaction of viable bacteria to HEp-2 cells for all strains tested. Furthermore, the removal of D-mannose resulted in an increase in both number and size of bacterial filamentous forms, indicating the involvement of mannose-sensitive adhesins in the filamentation of these strains. In order to verify whether the increased filamentation growth in this assay was a consequence of SOS induction, triggered by interaction to HEp-2 cells, we measured expression of SOS in the presence and absence of D-mannose. Indeed, we observed higher expression of SOS response in the absence of mannose than in experiments performed in the presence of D-mannose. Moreover, we observed that the absence of xthA was important to filamentation increasing in absence of D-mannose. Based on these results, we verified if interaction to abiotic surfaces, like glass, could lead to filamentation of these strains. We also observed numerous filaments in BER mutants, BW9091 and BW535, when compared to wild-type strain AB1157. The filamentation observed was a consequence of SOS induction, triggered by attachment to the glass surface. In part, the filamentation and SOS induction observed in these experiments were related to ROS production. We also quantified interacted bacterial cells and it was observed moderated biofilm formation in all strains tested. However, biofilm formation depended on the ability of the bacteria to induce the SOS response, under both aerobic and anaerobic conditions. The oxygen tension was important factor for interaction of the BER mutants, since these mutants exhibited decreased quantitative adherence under anaerobic conditions. However, this decrease was not related to BER mutants death. Scanning electron microscopy was also performed in the wild-type strain and BER mutants (BW9091 e BW535) and biofilm formation was confirmed under both aerobic and anaerobic conditions. We observed a structure similar to a extracellular matrix which involved biofilms of wild type strain (AB1157) and xthA mutant (BW9091). However, the formation of this structure by both strains depended on the oxygen tension, since biofilm formation, under anaerobiosis condition, did not presented this structure. In conclusion, was provided that bacterial interaction to biotic and abiotic surfaces can lead to damage of bacterial genome, resulting in SOS induction and associated filamentation.