Molecular study of cell degeneration and evolution induced by mRNA mistranslation

As proteínas existentes nas células são produzidas pelo mecanismo de tradução do mRNA, no qual a informação genética contida nos genes é descodificada em cadeias polipeptídicas. O código genético, que define as regras de descodificação do genoma, minimiza os erros de tradução do mRNA, garantindo a síntese de proteínas com elevada fidelidade. Esta é essencial para a estabilidade do proteoma e para a manutenção e funcionamento dos processos celulares. Em condições fisiológicas normais, os erros da tradução do mRNA ocorrem com frequências que variam de 10-3 a 10-5 erros por codão descodificado. Situações que aumentam este erro basal geralmente estão associadas ao envelhecimento, stresse e a doenças; no entanto, em certos organismos o código genético é traduzido naturalmente com elevado erro, indicando que a síntese de proteínas aberrantes pode de algum modo ser vantajosa. A fim de estudar a resposta celular aos erros de tradução do mRNA, construímos leveduras que incorporam serina no proteoma em resposta a um codão de leucina, usando a expressão constitutiva de um tRNASer mutante. Este fenómeno genético artificial provocou uma forte diminuição da esporulação, da viabilidade e da eficiência de mating, afectando imensamente a reprodução sexual da levedura. Observou-se também uma grande heterogeneidade no tamanho e na forma das células e elevada instabilidade genómica, com o aparecimento de populações poliplóides e aneuplóides. No sentido de clarificar as bases celulares e moleculares daqueles fenótipos e compreender melhor a biologia do erro de tradução do mRNA, construímos também células de levedura que inserem serina em resposta a um codão de leucina de modo indutível e controlado. Utilizaram-se perfis de mRNA total e de mRNA associado a polissomas para elucidar a resposta celular ao erro de tradução do mRNA. Observou-se a indução de genes envolvidos na resposta ao stresse geral, stresse oxidativo e na unfolded protein response (UPR). Um aumento significativo de espécies reactivas de oxigénio (ROS) e um forte impacto negativo na capacidade das células pós-mitóticas re-iniciarem o crescimento foram também observados. Este fenótipo de perda de viabilidade celular foi resgatado por scavangers de ROS, indicando que o stresse oxidativo é a principal causa de morte celular causada pelos erros de tradução. Este estudo levanta a hipótese de que o stresse oxidativo e a acumulação de ROS, ao invés do colapso súbito do proteoma, são as principais causas da degeneração celular e das doenças humanas associadas aos erros de tradução do genoma. ABSTRACT: Proteins are synthesized through the mechanism of translation, which uses the genetic code to transform the nucleic acids based information of the genome into the amino acids based information of the proteome. The genetic code evolved in such a manner that translational errors are kept to a minimum and even when they occur their impact is minimized by similar chemical properties of the amino acids. Protein synthesis fidelity is essential for proteome stability and for functional maintenance of cellular processes. Indeed, under normal physiological conditions, mistranslation occurs at frequencies that range from 10-3 to 10-5 errors per codon decoded. Situations where this basal error frequency increases are usually associated to aging and disease. However, there are some organisms where genetic code errors occur naturally at high level, suggesting that mRNA mistranslation can somehow be beneficial. In order to study the cellular response to mRNA mistranslation, we have engineered single codon mistranslation in yeast cells, using constitutive expression of mutant tRNASer genes. These mistranslating strains inserted serines at leucine-CUG sites on a proteome wide scale due to competition between the wild type tRNALeu with the mutant tRNASer. Such mistranslation event decreased yeast sporulation, viability and mating efficiencies sharply and affected sexual reproduction strongly. High heterogeneity in cell size and shape and high instability in the genome were also observed, with the appearance of some polyploid or aneuploid cell populations. To further study the cellular and molecular basis of those phenotypes and the biology of mRNA mistranslation, we have also engineered inducible mRNA misreading in yeast and used total mRNA and polysome associated mRNA profiling to determine whether codon misreading affects gene expression. Induced mistranslation up-regulated genes involved in the general stress response, oxidative stress and in the unfolded protein response (UPR). A significant increase in reactive oxygen species (ROS) and a strong negative impact on the capacity of post-mitotic cells to re-initiate growth in fresh media were also observed. This cell viability phenotype was rescued by scavengers of ROS, indicating that oxidative stress is the main cause of cell death caused by mRNA mistranslation. This study provides strong support for the hypothesis that oxidative stress and ROS accumulation, rather than sudden proteome collapse or major proteome disruption, are the main cause of the cellular degeneration observed in human diseases associated mRNA mistranslation.

Sistemas de informação para DNA microarrays

O projecto de sequenciação do genoma humano veio abrir caminho para o surgimento de novas áreas transdisciplinares de investigação, como a biologia computacional, a bioinformática e a bioestatística. Um dos resultados emergentes desde advento foi a tecnologia de DNA microarrays, que permite o estudo do perfil da expressão de milhares de genes, quando sujeitos a perturbações externas. Apesar de ser uma tecnologia relativamente consolidada, continua a apresentar um conjunto vasto de desafios, nomeadamente do ponto de vista computacional e dos sistemas de informação. São exemplos a optimização dos procedimentos de tratamento de dados bem como o desenvolvimento de metodologias de interpretação semi-automática dos resultados. O principal objectivo deste trabalho consistiu em explorar novas soluções técnicas para agilizar os procedimentos de armazenamento, partilha e análise de dados de experiências de microarrays. Com esta finalidade, realizou-se uma análise de requisitos associados às principais etapas da execução de uma experiência, tendo sido identificados os principais défices, propostas estratégias de melhoramento e apresentadas novas soluções. Ao nível da gestão de dados laboratoriais, é proposto um LIMS (Laboratory Information Management System) que possibilita a gestão de todos os dados gerados e dos procedimentos realizados. Este sistema integra ainda uma solução que permite a partilha de experiências, de forma a promover a participação colaborativa de vários investigadores num mesmo projecto, mesmo usando LIMS distintos. No contexto da análise de dados, é apresentado um modelo que facilita a integração de algoritmos de processamento e de análise de experiências no sistema desenvolvido. Por fim, é proposta uma solução para facilitar a interpretação biológica de um conjunto de genes diferencialmente expressos, através de ferramentas que integram informação existente em diversas bases de dados biomédicas.

Sistema computacional para o estudo da estrutura primária e redesenho de genes

Um dos maiores avanços científicos do século XX foi o desenvolvimento de tecnologia que permite a sequenciação de genomas em larga escala. Contudo, a informação produzida pela sequenciação não explica por si só a sua estrutura primária, evolução e seu funcionamento. Para esse fim novas áreas como a biologia molecular, a genética e a bioinformática são usadas para estudar as diversas propriedades e funcionamento dos genomas. Com este trabalho estamos particularmente interessados em perceber detalhadamente a descodificação do genoma efectuada no ribossoma e extrair as regras gerais através da análise da estrutura primária do genoma, nomeadamente o contexto de codões e a distribuição dos codões. Estas regras estão pouco estudadas e entendidas, não se sabendo se poderão ser obtidas através de estatística e ferramentas bioinfomáticas. Os métodos tradicionais para estudar a distribuição dos codões no genoma e seu contexto não providenciam as ferramentas necessárias para estudar estas propriedades à escala genómica. As tabelas de contagens com as distribuições de codões, assim como métricas absolutas, estão actualmente disponíveis em bases de dados. Diversas aplicações para caracterizar as sequências genéticas estão também disponíveis. No entanto, outros tipos de abordagens a nível estatístico e outros métodos de visualização de informação estavam claramente em falta. No presente trabalho foram desenvolvidos métodos matemáticos e computacionais para a análise do contexto de codões e também para identificar zonas onde as repetições de codões ocorrem. Novas formas de visualização de informação foram também desenvolvidas para permitir a interpretação da informação obtida. As ferramentas estatísticas inseridas no modelo, como o clustering, análise residual, índices de adaptação dos codões revelaram-se importantes para caracterizar as sequências codificantes de alguns genomas. O objectivo final é que a informação obtida permita identificar as regras gerais que governam o contexto de codões em qualquer genoma.

Protein phosphatases acting on the replication checkpoint

A génese de um cancro está dependente da acumulação de mutações genéticas que dão origem a instabilidade genómica, que por sua vez resulta na proliferação descontrolada. Para prevenir a acumulação destas mutações, as células têm mecanismos de controlo (checkpoints) que suspendem o ciclo celular e accionam as vias de reparação do ADN. Estes eventos são muitas vezes regulados por dinâmicas de (des)fosforilação de proteínas. As proteínas fosfatases (PPs), enzimas responsáveis pela remoção do grupo fosfato de resíduos fosforilados, desempenham funções cruciais na regulação de muitos mecanismos celulares. Enquanto que no início do projecto as cinases envolvidas no checkpoint da replicação estavam bem estabelecidas, as PPs envolvidas não eram conhecidas. A Chk1, um componente da maquinaria do checkpoint da replicação, é exemplo dessa regulação por (des)fosforilação, como sejam nos resíduos Ser317 e Ser345. Assim, como primeira abordagem para determinar quais os grupos de PPs envolvidos na regulação do checkpoint da replicação, decidimos investigar o seu papel na regulação da fosforilação da Chk1. A primeira conclusão é que a desfosforilação da Chk1 ao longo do tempo, tanto in vivo como in vitro, ocorre com uma dinâmica bi-fásica. Em segundo, a abordagem in vitro sugere que as famílias PP1, PP2A e PP2C estão envolvidas na desfosforilação da Chk1. Uma vez que a família PP2A foi a que mostrou a maior acção nesta reacção, decidimos investigar outros membros da família in vivo, primeiro com uma abordagem geral (tratando com OA ou sobreexpressando a PME-1), e depois com o knockdown específico da PP4 e PP6 (através de siRNA). Os resultados mostram que a inibição das PPs afectam tanto a desfosforilação como o estado de activação da Chk1 em resposta a tratamento com Hidroxiureia (HU). Todas as PPs testadas in vivo pareceram ser capazes de regular, a níveis diferentes, tanto a fosforilação como a desfosforilação da Chk1. A função das PPs foi também investigada ao nível: da regulação do disparo das origens de replicação, e da recuperação da suspensão da replicação, induzida pela HU. No último caso, os dados indicam que na situação simultânea de knockdown da PP4 com tratamento de HU, há um atraso do ciclo celular na resolução da transição de G2/M. No ensaio de replicação por pulse-chase, os resultamos mostram que tanto o tratamento com OA, como a sobre-expressão de I-2 ou PME-1, atrasam a cronologia do disparo programado das origens de replicação. No entanto, nenhum dos tratamentos efectuados parece desregular o início do checkpoint da replicação. Um rastreio de 2-híbrido de levedura com uma biblioteca de cDNA de testículo humano foi realizado, usando a Chk1 como isco, no sentido de descobrir novos interactores e definir novas possíveis funções para a Chk1 no contexto da meiose. Com base nos resultados do rastreio, duas novas funções são sugeridas: a interacção com a GAGE12 sugere uma função na recombinação genómica/vigilância do genoma durante a meiose, e as interacções com a EEF1α1 e a RPS5 sugerem uma função na regulação da síntese proteíca. Estas experiências fornecem um visão geral para a compreensão da diversidade de funções das proteínas fosfatases envolvidas no checkpoint da replicação, bem como, abre novos caminhos para o desenvolvimento de novas drogas para o tratamento do cancro.

Cellular responses to genome mistranslation

Low level protein synthesis errors can have profound effects on normal cell physiology and disease development, namely neurodegeneration, cancer and aging. The biology of errors introduced into proteins during mRNA translation, herein referred as mistranslation, is not yet fully understood. In order to shed new light into this biological phenomenon, we have engineered constitutive codon misreading in S. cerevisiae, using a mutant tRNA that misreads leucine CUG codons as serine, representing a 240 fold increase in mRNA translational error relative to typical physiological error (0.0001%). Our studies show that mistranslation induces autophagic activity, increases accumulation of insoluble proteins, production of reactive oxygen species, and morphological disruption of the mitochondrial network. Mistranslation also up-regulates the expression of the longevity gene PNC1, which is a regulator of Sir2p deacetylase activity. We show here that both PNC1 and SIR2 are involved in the regulation of autophagy induced by mistranslation, but not by starvation-induced autophagy. Mistranslation leads to P-body but not stress-granule assembly, down-regulates the expression of ribosomal protein genes and increases slightly the selective degradation of ribosomes (ribophagy). The study also indicates that yeast cells are much more resistant to mistranslation than expected and highlights the importance of autophagy in the cellular response to mistranslation. Morpho-functional alterations of the mitochondrial network are the most visible phenotype of mistranslation. Since most of the basic cellular processes are conserved between yeast and humans, this study reinforces the importance of yeast as a model system to study mistranslation and suggests that oxidative stress and accumulation of misfolded proteins arising from aberrant protein synthesis are important causes of the cellular degeneration observed in human diseases associated to mRNA mistranslation.

Molecular genomics of a genetic code alteration

The genetic code is not universal. Alterations to its standard form have been discovered in both prokaryotes and eukaryotes and demolished the dogma of an immutable code. For instance, several Candida species translate the standard leucine CUG codon as serine. In the case of the human pathogen Candida albicans, a serine tRNA (tRNACAGSer) incorporates in vivo 97% of serine and 3% of leucine in proteins at CUG sites. Such ambiguity is flexible and the level of leucine incorporation increases significantly in response to environmental stress. To elucidate the function of such ambiguity and clarify whether the identity of the CUG codon could be reverted from serine back to leucine, we have developed a forced evolution strategy to increase leucine incorporation at CUGs and a fluorescent reporter system to monitor such incorporation in vivo. Leucine misincorporation increased from 3% up to nearly 100%, reverting CUG identity from serine back to leucine. Growth assays showed that increasing leucine incorporation produced impressive arrays of phenotypes of high adaptive potential. In particular, strains with high levels of leucine misincorporation exhibited novel phenotypes and high level of tolerance to antifungals. Whole genome re-sequencing revealed that increasing levels of leucine incorporation were associated with accumulation of single nucleotide polymorphisms (SNPs) and loss of heterozygozity (LOH) in the higher misincorporating strains. SNPs accumulated preferentially in genes involved in cell adhesion, filamentous growth and biofilm formation, indicating that C. albicans uses its natural CUG ambiguity to increase genetic diversity in pathogenesis and drug resistance related processes. The overall data provided evidence for unantecipated flexibility of the C. albicans genetic code and highlighted new roles of codon ambiguity on the evolution of genetic and phenotypic diversity.

Saccharomycotin transcriptomics by next-generation sequencing

The non-standard decoding of the CUG codon in Candida cylindracea raises a number of questions about the evolutionary process of this organism and other species Candida clade for which the codon is ambiguous. In order to find some answers we studied the transcriptome of C. cylindracea, comparing its behavior with that of Saccharomyces cerevisiae (standard decoder) and Candida albicans (ambiguous decoder). The transcriptome characterization was performed using RNA-seq. This approach has several advantages over microarrays and its application is booming. TopHat and Cufflinks were the software used to build the protocol that allowed for gene quantification. About 95% of the reads were mapped on the genome. 3693 genes were analyzed, of which 1338 had a non-standard start codon (TTG/CTG) and the percentage of expressed genes was 99.4%. Most genes have intermediate levels of expression, some have little or no expression and a minority is highly expressed. The distribution profile of the CUG between the three species is different, but it can be significantly associated to gene expression levels: genes with fewer CUGs are the most highly expressed. However, CUG content is not related to the conservation level: more and less conserved genes have, on average, an equal number of CUGs. The most conserved genes are the most expressed. The lipase genes corroborate the results obtained for most genes of C. cylindracea since they are very rich in CUGs and nothing conserved. The reduced amount of CUG codons that was observed in highly expressed genes may be due, possibly, to an insufficient number of tRNA genes to cope with more CUGs without compromising translational efficiency. From the enrichment analysis, it was confirmed that the most conserved genes are associated with basic functions such as translation, pathogenesis and metabolism. From this set, genes with more or less CUGs seem to have different functions. The key issues on the evolutionary phenomenon remain unclear. However, the results are consistent with previous observations and shows a variety of conclusions that in future analyzes should be taken into consideration, since it was the first time that such a study was conducted.

Bioinformatics analysis of the Pedobacter sp. NL19 genome

The last decades of the 20th century defined the genetic engineering advent, climaxing in the development of techniques, such as PCR and Sanger sequencing. This, permitted the appearance of new techniques to sequencing whole genomes, identified as next-generation sequencing. One of the many applications of these techniques is the in silico search for new secondary metabolites, synthesized by microorganisms exhibiting antimicrobial properties. The peptide antibiotics compounds can be classified in two classes, according to their biosynthesis, in ribosomal or nonribosomal peptides. Lanthipeptides are the most studied ribosomal peptides and are characterized by the presence of lanthionine and methylanthionine that result from posttranslational modifications. Lanthipeptides are divided in four classes, depending on their biosynthetic machinery. In class I, a LanB enzyme dehydrate serine and threonine residues in the C-terminus precursor peptide. Then, these residues undergo a cyclization step performed by a LanC enzyme, forming the lanthionine rings. The cleavage and the transport of the peptide is achieved by the LanP and LanT enzymes, respectively. Although, in class II only one enzyme, LanM, is responsible for the dehydration and cyclization steps and also only one enzyme performs the cleavage and transport, LanT. Pedobacter sp. NL19 is a Gram-negative bacterium, isolated from sludge of an abandon uranium mine, in Viseu (Portugal). Antibacterial activity in vitro was detected against several Gram-positive and Gram-negative bacteria. Sequencing and in silico analysis of NL19 genome revealed the presence of 21 biosynthetic clusters for secondary metabolites, including nonribosomal and ribosomal peptides biosynthetic clusters. Four lanthipeptides clusters were predicted, comprising the precursor peptides, the modifying enzymes (LanB and LanC), and also a bifunctional LanT. This result revealed the hybrid nature of the clusters, comprising characteristics from two distinct classes, which are poorly described in literature. The phylogenetic analysis of their enzymes showed that they clustered within the bacteroidetes clade. Furthermore, hybrid gene clusters were also found in other species of this phylum, revealing that it is a common characteristic in this group. Finally, the analysis of NL19 colonies by MALDI-TOF MS allowed the identification of a 3180 Da mass that corresponds to the predicted mass of a lanthipeptide encoded in one of the clusters. However, this result is not fully conclusive and further experiments are needed to understand the full potential of the compounds encoded in this type of clusters. In conclusion, it was determined that NL19 strain has the potential to produce diverse secondary metabolites, including lanthipeptides that were not functionally characterized so far.

CD81 interacting proteins

Fertilization is a multistep and complex process culminating in the merge of gamete membranes, cytoplasmic unity and fusion of genome. CD81 is a tetraspanin protein that participates in sperm-oocyte interaction, being present at the oocyte surface. CD81 has also been implicated in other biological processes, however its specific function and molecular mechanisms of action remain to be elucidated. The interaction between CD81 and its binding partner proteins may underlie the CD81 involvement in a variety of cellular processes and modulate CD81/interactors specific functions. Interestingly, in a Yeast two Hybrid system previously performed in our lab, CD81 has emerged as a putative interactor of the Amyloid Precursor Protein (APP). In the work here described, bioinformatics analyses of CD81 interacting proteins were performed and the retrieved information used to construct a protein-protein interaction network, as well as to perform Gene Ontology enrichment analyses. CD81 expression was further evaluated in CHO, GC-1 and SH-SY5Y cell lines, and in human sperm cells. Additionally, its subcellular localization was analyzed in sperm cells and in the neuronal-like SH-SY5Y cell line. Subsequently, coimmunoprecipitation assays were performed in CHO and SH-SY5Y cells to attempt to prove the physical interaction between CD81 and APP. A functional interaction between these two proteins was accessed thought the analyses of the effects of CD81 overexpression on APP levels. A co-localization analysis of CD81 and some interactors proteins retrieved from the bioinformatics analyses, such as APP, AKT1 and cytoskeleton-related proteins, was also performed in sperm cells and in SH-SY5Y cells. The effects of CD81 in cytoskeleton remodeling was evaluated in SH-SY5Y cells through monitoring the effects of CD81 overexpression in actin and tubulin levels, and analyzing the colocalization between overexpressed CD81 and F-actin. Our results showed that CD81 is expressed in all cell lines tested, and also provided the first evidence of the presence of CD81 in human sperm cells. CD81 immunoreactivity was predominantly detected in the sperm head, including the acrosome membrane, and in the midpiece, where it co-localized with APP, as well as in the post-acrosomal region. Furthermore, CD81 co-localizes with APP in the plasma membrane and in cellular projections in SH-SY5Y cells, where CD81 overexpression has an influence on APP levels, also visible in CHO cells. The analysis of CD81 interacting proteins such as AKT1 and cytoskeletonrelated proteins showed that CD81 is involved in a variety of pathways that may underlie cytoskeleton remodeling events, related to processes such as sperm motility, cell migration and neuritogenesis. These results deepen our understanding on the functions of CD81 and some of its interactors in sperm and neuronal cells.