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<i>Caulobacter crescentus</i> is an important model organism for studying regulation of cell growth, division and differentiation in prokaryotes. <i>C. crescentus</i> undergoes asymmetric division producing two progeny cells with identical genome but different developmental programs: the "swarmer" cell is flagellated and motile, and the "stalked" cell is sessile (attached to a surface by its stalk and holdfast). Only stalked cells undergo chromosome replication and cell division. A swarmer cell must shed its flagellum and grow a stalk before it can enter the replication-division cycle. Based on published experimental evidence, we propose a molecular mechanism controlling the cell division cycle in this bacterium. Our quantitative model of the mechanism illustrates detailed temporal dynamics of regulatory proteins and corresponding physiological changes during the process of cell cycle progression and differentiation of wild-type cells (both stalked cells and swarmer cells) and of a number of known and novel mutant strains. Our model presents a unified view of temporal regulation of protein activities during the asymmetric cell division cycle of <i>C. crescentus</i> and provides an opportunity to study and analyze the system dynamics of the <i>Caulobacter</i> cell cycle (as opposed to the dynamics of individual steps). The model can serve as a starting point for investigating molecular regulations of cell division and differentiation in other genera of alpha-proteobacteria, such as <i>Brucella</i> and <i>Rhizobium</i>, because recent experimental data suggest that these alpha-proteobacteria share similar genetic mechanisms for cell cycle control. / Ph. D.

As RNA helicases da família DEAD-box são enzimas que alteram as estruturas secundárias do RNA e auxiliam a formação de complexos ribonucleoproteicos, e são muito importantes em processos basais como a degradação dos RNAs e a biogênese dos ribossomos. A &#945;-proteobactéria criotolerante Caulobacter crescentus é um modelo experimental interessante para compreender o papel destas enzimas em baixa temperatura. A caracterização fenotípica de linhagens mutantes simples de quatro RNA helicases DEAD-box permitiu demonstrar que a RNA helicase RhlE é necessária para o crescimento em baixa temperatura. Os mutantes duplos mostraram redução do crescimento à temperatura normal e em baixa temperatura, com perda de viabilidade e alterações morfológicas. Através de ensaios de complementação cruzada mostrou-se que seus papéis fisiológicos são até certo ponto redundantes. O mutante rhlE também apresentou redução na formação de biofilme. A medida da expressão relativa dos genes que codificam as RNA helicases mostrou um aumento na expressão de três destes genes em estresse frio, e a análise dos perfis ribossomais mostrou a possível participação destas três RNA helicases na biogênese do ribossomo. / The RNA helicases of the DEAD-box family are enzymes that modify RNA secondary structures and help the formation of ribonucleoprotein complexes, and are very important in basal processes such as RNA degradation and ribosome biogenesis. The cryotolerant &#945;-proteobacterium Caulobacter crescentus is an interesting experimental model to understand the role of these enzymes at low temperature. The phenotypic characterization of strains with single mutations of four DEAD-box RNA helicases showed that RNA helicase RhlE is required for growth at low temperature. The double mutants showed reduction in growth at both normal and low temperatures, with loss of viability and morphological changes. Through cross-complementation assays it has been shown that their physiological roles are to some extent redundant. The rhlE mutant also showed reduction in biofilm formation. The relative expression of the genes encoding the RNA helicases showed an increase in the expression of three of these genes under cold stress, and the analysis of the ribosomal profiles showed the possible participation of these three RNA helicases in ribosome biogenesis.

O sistema SOS controla a expressão de diversos genes, muitos envolvidos com o reparo de DNA. Caulobacter crescentus vem emergindo como um modelo alternativo interessante para o estudo de mecanismos de reparo de DNA. Temos como objetivos realizar uma análise funcional de genes de função desconhecida regulados por SOS, e investigar a indução de SOS por antibióticos beta-lactâmicos em C. crescentus. Análises funcionais dos genes CC_3424 e CC_3467 mostraram que deleções nestes genes resultam em fenótipo de sensibilidade à mitomicina C (MMC). CC_3424 possui similaridade com glioxalases e CC_3467 com endonucleases. Acreditamos que CC_3467 atue no reparo de ligações intercadeia no DNA, e que CC_3424 atue detoxificando a MMC das células. Estudos dos efeitos biológicos da indução do sistema SOS mostram que a cefalexina (CFE) induz este regulon em concentrações subinibitórias. Células tratadas com CFE apresentam mais danos oxidativos do tipo 8-oxoguanina. Estes resultados mostram que concentrações subinibitórias de CFE resultam em estresse oxidativo em C. crescentus. / The SOS response controls the expression of several genes, many of which are involved in DNA repair mechanisms. Caulobacter crescentus has emerged as an alternative bacterial model for DNA repair. As aims, we will undertake a functional analysis of some of the genes regulated by the SOS response, and will investigate the SOS induction by beta-lactam antibiotics in C. crescentus. Functional analysis of the genes CC_3424 and CC_3467 showed that deletions in these genes result in a phenotype of sensitivity to mitomycin C (MMC). CC_3424 has similarity to glyoxalase and CC_3467 to endonucleases. We believe that the CC_3467 gene plays a role in the repair of interstrand crosslinks in the DNA, while CC_3424 acts in MMC cellular detoxification. Studies of biological effects of SOS induction showed that subinibitory concentrations of cephalexin (CFE) induce the SOS regulon. Cells treated with CFE have higher concentrations of 8-oxoG oxidative damage. These results show that subinibitory concentrations of cephalexin leads to cellular oxidative stress in C. crescentus.

CspD é uma das quatro proteínas de choque frio de Caulobacter crescentus, sendo maior que as outras CSPs por possuir dois domínios de choque frio, e tem seu papel na célula ainda desconhecido. O objetivo deste trabalho foi identificar e caracterizar os fatores in cis e in trans envolvidos na regulação da expressão do gene cspD em C. crescentus. Neste trabalho foi visto que a expressão de cspD é induzida pela carência de glicose no meio, mas não pela carência de nitrogênio. Esta indução é dependente do sinalizador ppGpp, indicando que ppGpp está envolvido na sinalização de carência de carbono. Um regulador de resposta de um sistema de dois componentes (SpdR) foi identificado como responsável pela indução em fase estacionária, sendo fosforilado pela histidina quinase cognata SpdS. Através de ensaios de EMSA e DNAseI footprinting pudemos verificar que a proteína SpdR se liga em uma sequência repetida invertida no promotor de cspD, e que essa ligação é dependente da fosforilação no resíduo de aspartato na posição 64 da proteína. Foi construído um mutante nulo do gene SpdR e este foi testado quanto à resistência a estresse oxidativo causado por H2O2 e viabilidade em fase estacionária; o mutante não apresentou diferença na resposta em relação à linhagem selvagem. / CspD is one of the four cold shock proteins of Caulobacter crescentus being larger than the other ones by possessing two cold shock domains, and its cellular role is still unknown. The aim of this work was to identify and characterize factors in cis and in trans involved in regulation of cspD expression in C. crescentus. In this work we determined that cspD expression is induced by glucose starvation but not by nitrogen starvation. This induction is dependent on the signalling molecule ppGpp, indicating that it is involved in carbon starvation signaling. A response regulator of a two-component system (SpdR) was identified as responsible for stationary phase induction, being phosphorylated by the cognate histidine kinase SpdS. EMSA and DNAseI footprinting assays showed that the SpdR protein binds to an inverted repeat at the cspD promoter, and that this binding is dependent on phosphorylation at the aspartate residue at position 64. A null spdR mutant strain was constructed and its resistance to H2O2 and stationary phase viability were determined, however the mutant showed no difference in response when compared to the wild type.

A comparação \"in silico\" das vias de reparo de DNA nos genomas de Caulobacter crescentus e E. coli mostra diferenças significativas entre estas duas bactérias, sugerindo diversidade biológica das respostas a danos no DNA entre as bactérias. Em busca de genes que possam proteger o genoma de C. crescentus contra mutações, foi feita uma varredura em uma biblioteca de cerca de 5.000 clones construída a partir de inserção aleatória do transposon TN5 no genoma dessa bactéria. A maioria destes genes não tinha sido, ainda, relacionada a fenótipo mutador, mas, como esperado, também identificamos genes já conhecidos como relacionados a fenótipos mutadores. Alguns clones candidatos foram investigados quanto ao tipo de mutação induzida, baseando-se na sequência do gene rpoB, com o objetivo de indicar o processo mutacional sob condições genéticas específicas. Análises baseadas na medida da atividade promotora em fusão de transcrição com lacZ, mostra que o sistema SOS está alterado em alguns clones, e pode justificar parte do fenótipo mutador em alguns deles. / The \"in silico\" comparison of the main DNA repair genes between C. crescentus and E. coli shows significant differences between these bacteria, suggesting biological diversity in bacterial responses to DNA damage. We further screened a C. crescentus library of 5,000 clones mutated by random insertion of the TN5 transposon in the genome, searching for clones with high levels of spontaneous rifampicin resistance mutations. Most of the genes identified have not been previously reported as related to mutator phenotype, but, as expected, we have also identified proteins already known as causing mutator phenotypes when mutated. As part of the functional characterization, some candidate clones were characterized based on rpoB gene sequences aiming at indicating the mutational process under specific genetic background conditions. Analysis of some candidate clones based on measurements of promoter activity with lacZ transcriptional fusions show that the system SOS is modified in some clones and this justify part of their mutator phenotype.

O sistema SOS controla a expressão de diversos genes, muitos envolvidos com o reparo de DNA. Caulobacter crescentus vem emergindo como um modelo alternativo interessante para o estudo de mecanismos de reparo de DNA. Temos como objetivos realizar uma análise funcional de genes de função desconhecida regulados por SOS, e investigar a indução de SOS por antibióticos beta-lactâmicos em C. crescentus. Análises funcionais dos genes CC_3424 e CC_3467 mostraram que deleções nestes genes resultam em fenótipo de sensibilidade à mitomicina C (MMC). CC_3424 possui similaridade com glioxalases e CC_3467 com endonucleases. Acreditamos que CC_3467 atue no reparo de ligações intercadeia no DNA, e que CC_3424 atue detoxificando a MMC das células. Estudos dos efeitos biológicos da indução do sistema SOS mostram que a cefalexina (CFE) induz este regulon em concentrações subinibitórias. Células tratadas com CFE apresentam mais danos oxidativos do tipo 8-oxoguanina. Estes resultados mostram que concentrações subinibitórias de CFE resultam em estresse oxidativo em C. crescentus. / The SOS response controls the expression of several genes, many of which are involved in DNA repair mechanisms. Caulobacter crescentus has emerged as an alternative bacterial model for DNA repair. As aims, we will undertake a functional analysis of some of the genes regulated by the SOS response, and will investigate the SOS induction by beta-lactam antibiotics in C. crescentus. Functional analysis of the genes CC_3424 and CC_3467 showed that deletions in these genes result in a phenotype of sensitivity to mitomycin C (MMC). CC_3424 has similarity to glyoxalase and CC_3467 to endonucleases. We believe that the CC_3467 gene plays a role in the repair of interstrand crosslinks in the DNA, while CC_3424 acts in MMC cellular detoxification. Studies of biological effects of SOS induction showed that subinibitory concentrations of cephalexin (CFE) induce the SOS regulon. Cells treated with CFE have higher concentrations of 8-oxoG oxidative damage. These results show that subinibitory concentrations of cephalexin leads to cellular oxidative stress in C. crescentus.

A comparação \"in silico\" das vias de reparo de DNA nos genomas de Caulobacter crescentus e E. coli mostra diferenças significativas entre estas duas bactérias, sugerindo diversidade biológica das respostas a danos no DNA entre as bactérias. Em busca de genes que possam proteger o genoma de C. crescentus contra mutações, foi feita uma varredura em uma biblioteca de cerca de 5.000 clones construída a partir de inserção aleatória do transposon TN5 no genoma dessa bactéria. A maioria destes genes não tinha sido, ainda, relacionada a fenótipo mutador, mas, como esperado, também identificamos genes já conhecidos como relacionados a fenótipos mutadores. Alguns clones candidatos foram investigados quanto ao tipo de mutação induzida, baseando-se na sequência do gene rpoB, com o objetivo de indicar o processo mutacional sob condições genéticas específicas. Análises baseadas na medida da atividade promotora em fusão de transcrição com lacZ, mostra que o sistema SOS está alterado em alguns clones, e pode justificar parte do fenótipo mutador em alguns deles. / The \"in silico\" comparison of the main DNA repair genes between C. crescentus and E. coli shows significant differences between these bacteria, suggesting biological diversity in bacterial responses to DNA damage. We further screened a C. crescentus library of 5,000 clones mutated by random insertion of the TN5 transposon in the genome, searching for clones with high levels of spontaneous rifampicin resistance mutations. Most of the genes identified have not been previously reported as related to mutator phenotype, but, as expected, we have also identified proteins already known as causing mutator phenotypes when mutated. As part of the functional characterization, some candidate clones were characterized based on rpoB gene sequences aiming at indicating the mutational process under specific genetic background conditions. Analysis of some candidate clones based on measurements of promoter activity with lacZ transcriptional fusions show that the system SOS is modified in some clones and this justify part of their mutator phenotype.

CspD é uma das quatro proteínas de choque frio de Caulobacter crescentus, sendo maior que as outras CSPs por possuir dois domínios de choque frio, e tem seu papel na célula ainda desconhecido. O objetivo deste trabalho foi identificar e caracterizar os fatores in cis e in trans envolvidos na regulação da expressão do gene cspD em C. crescentus. Neste trabalho foi visto que a expressão de cspD é induzida pela carência de glicose no meio, mas não pela carência de nitrogênio. Esta indução é dependente do sinalizador ppGpp, indicando que ppGpp está envolvido na sinalização de carência de carbono. Um regulador de resposta de um sistema de dois componentes (SpdR) foi identificado como responsável pela indução em fase estacionária, sendo fosforilado pela histidina quinase cognata SpdS. Através de ensaios de EMSA e DNAseI footprinting pudemos verificar que a proteína SpdR se liga em uma sequência repetida invertida no promotor de cspD, e que essa ligação é dependente da fosforilação no resíduo de aspartato na posição 64 da proteína. Foi construído um mutante nulo do gene SpdR e este foi testado quanto à resistência a estresse oxidativo causado por H2O2 e viabilidade em fase estacionária; o mutante não apresentou diferença na resposta em relação à linhagem selvagem. / CspD is one of the four cold shock proteins of Caulobacter crescentus being larger than the other ones by possessing two cold shock domains, and its cellular role is still unknown. The aim of this work was to identify and characterize factors in cis and in trans involved in regulation of cspD expression in C. crescentus. In this work we determined that cspD expression is induced by glucose starvation but not by nitrogen starvation. This induction is dependent on the signalling molecule ppGpp, indicating that it is involved in carbon starvation signaling. A response regulator of a two-component system (SpdR) was identified as responsible for stationary phase induction, being phosphorylated by the cognate histidine kinase SpdS. EMSA and DNAseI footprinting assays showed that the SpdR protein binds to an inverted repeat at the cspD promoter, and that this binding is dependent on phosphorylation at the aspartate residue at position 64. A null spdR mutant strain was constructed and its resistance to H2O2 and stationary phase viability were determined, however the mutant showed no difference in response when compared to the wild type.

XerC et XerD, deux recombinases impliquées dans la recombinaison site spécifique, résolvent les multimères d’ADN en monomères. Cette réaction se produit au niveau du site dif du chromosome, et nécessite le domaine C-terminale de la protéine de division cellulaire FtsK. Caulobacter crescentus est une bactérie aquatique de type Gram-négative qui se retrouve dans plusieurs environnements. Elle présente un cycle cellulaire asymétrique avec deux types de cellules distinctes. Cette propriété peut être utilisée pour synchroniser la croissance d’une population bactérienne pour permettre l’étude de l’expression de gènes à travers le temps et les liens entre le cycle cellulaire et le développement de la bactérie. La liaison à l’ADN et la capacité de former des complexes covalents (phosphotyrosyl) avec le site dif de C. crescentus (ccdif) ont été testé pour les recombinases de C. crescentus (ccXerC et ccXerD). Les deux recombinases ont eu une meilleure liaison au demi-site gauche de ccdif et sont incapable d’effectuer une liaison coopérative, contrairement à ce qui se produit au niveau du site dif de E. coli. La formation de complexes covalents a été testé en utilisant des «substrats suicides avec bris» marqués à la fluorescence ainsi que des protéines de fusion (marquées ou non à la fluorescence). Des complexes ADN-protéines résistants à la chaleur et au SDS ont été observé lors de la réaction de ccXerC et ccXerD de type sauvage avec ccdif, mais pas lors de la réaction de mutants avec le même ADN. Des complexes covalents phosphotyrosine sont formés de façon plus efficace sur les substrats suicides avec un bris au niveau du brin supérieur que ceux ayant un bris au niveau du brin inférieur. Dans les deux cas, c’est ccXerC qui est resté lié de façon covalente à l’ADN de ccdif. / In most bacteria, the chromosomal dimer resolution process is mediated by two tyrosine recombinases, XerC and XerD, which bind cooperatively and perform the recombination reaction at the dif site near the terminus of replication. This reaction also requires the C-terminal domain of the cell division protein FtsK. Caulobacter crescentus is an aquatic Gram-negative bacterium found in various environments. This bacterium has an asymmetric cell cycle which can be used to synchronize cell growth in order to study the temporal expression of a gene and the interconnection between the cell cycle and development. The binding activity and the formation of phosphotyrosyl complex of the C. crescentus recombinases, ccXerC and ccXerD, were tested on the C. crescentus dif (ccdif) site. Both ccXerC and ccXerD bound preferentially to the left half-site of ccdif and showed reduced cooperative binding, unlike what was found with the E. coli dif site. Covalent complex formation activity was tested by using fluorescently labelled linear “nicked suicide substrates” and labelled proteins. Heat and SDS-resistant protein-DNA complexes were formed when both wild-type ccXerC and ccXerD reacted with ccdif but not in the presence of active-site tyrosine mutant proteins. Phosphotyrosine complexes formed on the top-nicked suicide substrate were found to be more efficient than on the bottom-nicked suicide substrates and surprisingly ccXerC remained bound to both top and bottom-nicked ccdif suicide substrates.