Analysis of the interaction between chromosomal replication and transposition mediated by sliding clamps

Héctor Díaz Maldonado

Departamento de Evolución Molecular

Año 2016

Insertion sequences (ISs) are small mobile genetic elements widely distributed in prokaryotes. They often encode only one enzyme, the transposase, required for their own transposition. ISs are promiscuous elements that can proliferate within genomes, where they play a key role in genome evolution by promoting chromosomal rearrangements and genetic flow. Furthermore, ISs have the ability to cross species barriers and transpose actively in new hosts, which also makes ISs essential players in the process of horizontal gene transfer. Although highly autonomous, ISs activity is linked to and can be regulated by various host processes, especially chromosomal replication; however no general mechanism had been proposed connecting replication with transposition. In this thesis we investigated the interplay between transposases and host replication factors. First, we performed a survey of orientation patterns of IS in fully-sequenced bacterial chromosomes. We found that a significant fraction of IS families present a consistent and family-specific orientation bias with respect of the movement of the replication fork, especially in Firmicutes. Then, we found that the transposases of up to ten different IS families with different transposition pathways interact with E. coli β sliding clamp, an essential replication factor. Additionally, we demonstrated that purified transposase of Tn5 also interact with β sliding clamp. Moreover, we studied to what extent the interaction limits or favors the ability of ISs to colonize a chromosome from a phylogenetically-distant organism. We describe the proliferation of a member of the IS1634 family in a long-term culture of Acidiphilium sp. We found that the Acidiphilium IS1634 transposase binds to β sliding clamp of Acidiphilium, Leptospirillum and E. coli. Further, we also demonstrated that Acidiphilium IS1634 transposase binds to the archaeal sliding clamp (PCNA) from Methanosarcina, and that the transposase encoded by Methanosarcina IS1634 binds Acidiphilium β. Finally, we demonstrated that strengthening the interaction between β and the transposase results in an increased transposition rate in vivo. Our results strongly suggest that transposase interaction with sliding clamps is a widespread mechanism that allows ISs integration with host chromosomal replication. Interaction with β and asymmetries in β distribution in the replication fork could explain the observed strong orientation bias found in some IS families in Firmicutes. Sliding clamps may represent a universal and highly conserved platform for ISs dispersal between species. The strength of the interaction could determine the potential of ISs to be mobilized in bacterial populations and also their ability to proliferate within chromosome. 


Las secuencias de inserción (SI) son pequeños elementos genéticos móviles ampliamente distribuidos en procariotas. Habitualmente codifican para una solo enzima, la transposasa, requerida para su propia transposición. Las SI son elementos promiscuos que puede proliferar en los cromosomas, donde juegan un papel clave en la evolución de los genomas promoviendo la reorganización cromosómica y el flujo genético. Además, las SI tienen la habilidad para cruzar la barrera inter-especie y transponerse activamente en nuevos huéspedes, lo que también las convierte en actores esenciales en procesos de transferencia génica horizontal. Aunque son altamente autónomas, la actividad de las SI está ligada y puede ser regulada por varios procesos del hospedador, especialmente la replicación del cromosoma; sin embargo no se ha propuesto ningún mecanismo general conectando la replicación con la transposición. En esta tesis investigamos la interacción entre transposasas y factores de replicación del hospedador. Inicialmente, realizamos un estudio de los patrones de orientación de las SI en cromosomas bacterianos completamente secuenciados. Encontramos que una fracción significativa de familias de SI presentan un sesgo de orientación consistente y específico de la familia, con respecto al movimiento de la horquilla de replicación, especialmente en Firmicutes. Además hallamos que la transposasa de hasta 10 familias distintas de SI con diferentes mecanismos de transposición, interaccionan con β sliding clamp de E. coli, un factor esencial de la replicación. Asimismo, demostramos que la transposasa purificada de Tn5 también interacciona con β sliding clamp. Además estudiamos hasta qué punto esta interacción limita o favorece la habilidad de las SI para colonizar cromosomas de organismos distantes filogenéticamente. Describimos la proliferación de un miembro de la familia IS1634 en un cultivo de larga duración de Acidiphilium sp. y demostramos que la transposasa de IS1634 de Acidiphilium, interacciona con β sliding clamp de Acidiphilium, Leptospirillum y E. coli. Más aún, demostramos que la transposasa de IS1634 de Acidiphilium también interacciona con el sliding clamp de la arquea (PCNA) Methanosarcina, y que la transposasa codificada por IS1634 de Methanosarcina interacciona con β de Acidiphilium. Finalmente, demostramos que fortaleciendo la interacción entre β y la transposasa resulta en un incremento en la tasa de transposición in vivo. Nuestros resultados sugieren consistentemente que la interacción entre transposasa y sliding clamp es un mecanismo ampliamente distribuido que permite a las SI integrarse con la replicación de los cromosomas hospedadores. La interacción con β y las asimetrías en la distribución de β en la horquilla de replicación, podrían explicar los fuertes sesgos en la orientación de ciertas familias de SI en Firmicutes. Los sliding clamps pueden representar una plataforma universal y altamente conservada para la dispersión de las SI entre especies. La afinidad de la interacción puede determinar el potencial de las SI para movilizarse en poblaciones bacterianas y también su habilidad para proliferar dentro de los propios cromosomas.

Datos de interés

Supervisores: Francisco J. López de Saro
Universidad: UAM. Departamento de Biología Molecular; Centro de Astrobiología
Fecha de lectura: 20/05/2016

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