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.

Phenotypic consequences of genome mistranslation in Candida albicans

Várias espécies do género Candida traduzem o codão CUG de leucine como serina. Em C. albicans este codão é traduzido pelo tRNACAG Ser de serina que é reconhecido por leucil- e seril-tRNA sintetases (LeuRS e SerRS), permitindo a incorporação de leucina ou serina em posições com CUG. Em condições padrão de crescimento os codões CUG é incorporam 3% de leucina e 97% de serina, no entanto estes valores são flexíveis uma vez que a incorporação de serina pode variar entre 0.6% e 5% em resposta a condições de stress. Estudos anteriores realizados in vivo em Escherichia coli sugeriram que a ambiguidade em codões CUG é regulada pela SerRS. De facto, o gene da SerRS de C. albicans tem um codão CUG na posição 197 (Ser197) cuja descodificação ambígua resulta na produção de duas isoformas de SerRS. A isoforma SerRS_Leu197 é mais ativa, apesar de menos estável, que a isoforma SerRS_Ser197, suportando a ideia da existência de um feedback loop negativo, envolvendo estas duas isoformas de SerRS, a enzima LeuRS e o tRNACAG Ser, que mantem os níveis de incorporação de leucina no codões CUG baixos. Nesta tese demonstramos que tal mecanismo não é operacional nas células de C. albicans. De facto, os níveis de incorporação de leucina em codões CUG flutuam drasticamente em resposta a alterações ambientais. Por exemplo, a incorporação de leucina pode chegar a níveis de 49.33% na presença de macrófagos e anfotericina B, mostrando a notória tolerância de C. albicans à ambiguidade. Para compreender a relevância biológica da ambiguidade do código genético em C. albicans construímos estirpes que incorporam serina em vários codões. Apesar da taxa crescimento ter sido negativamente afetada em condições padrão de crescimento, as estirpes construídas crescem favoravelmente em várias condições de stresse, sugerindo que a ambiguidade desempenha um papel importante na adaptação a novos nichos ecológicos. O transcriptoma das estirpes construídas de C. albicans e Saccharomyces. cerevisiae mostram que as leveduras respondem à ambiguidade dos codões de modo distinto. A ambiguidade induziu uma desregulação moderada da expressão génica de C. albicans, mas ativou uma resposta comum ao stresse em S. cerevisiae. O único processo celular que foi induzido na maioria das estirpes foi a oxidação redução. De salientar, que enriquecimento em elementos cis de fatores de transcrição que regulam a resposta à ambiguidade em ambas as leveduras foi distinta, sugerindo que ambas respondem ao stresse de modo diferente. Na globalidade, o nosso estudo aprofunda o conhecimento da elevada tolerância à ambiguidade de codões em C. albicans. Os resultados sugerem que este fungo usa a ambiguidade do codão CUG durante infeção, possivelmente para modular a sua interação com o hospedeiro e a resposta a drogas antifúngicas.

UV-induced stress in bacterioneuston : mechanisms and ecological implications

As bactérias desempenham um papel chave na reciclagem de energia e matéria nas teias tróficas aquáticas. No entanto, as suas pequenas dimensões, curto tempo de geração e o facto de os seus genomas constituírem uma grande porção do seu volume celular, tornam as bactérias mais suscetíveis às alterações ambientais que os organismos superiores. O aumento dos níveis de radiação UVB (280-320 nm) constitui uma ameaça particularmente importante para as comunidades bacterianas dos sistemas aquáticos, uma vez que a radiação consegue penetrar até profundidades consideráveis. No entanto, os mecanismos através dos quais a radiação causa danos nas bactérias ainda não são claros, o que impede a modelação precisa dos efeitos da radiação UV nas comunidades bacterianas naturais. O bacterioneuston habita a microcamada superficial (primeiro milímetro da coluna de água), estando naturalmente exposto a níveis de radiação UV superiores aos que o bacterioplâncton está exposto. Deste modo, a microcamada superficial pode ser vista como um nicho ecológico modelo para estudar as interações entre as bactérias e a radiação UV. Os objetivos deste trabalho foram (i) avaliar a influência do nível de exposição natural à radiação das comunidades bacterianas na sua sensibilidade à radiação UV, através da comparação das respostas fotobiológicas do bacterioneuston e bacterioplâncton; (ii) aprofundar o conhecimento acerca dos mecanismos através dos quais a radiação UV causa danos, bem como dos fatores que afetam a interação entre a radiação UV e as bactérias; e (iii) avaliar o potencial da proteína RecA, que medeia a resposta SOS das bactérias, para ser usada como marcador de danos induzidos por UV nas comunidades bacterianas. Verificou-se que o bacterioneuston é mais resistente à radiação UVB que o bacterioplâncton e recupera de modo mais eficiente dos danos induzidos por UV, particularmente em condições de escassez de nutrientes, indicando assim que o nível de exposição natural das comunidades bacterianas à radiação afeta a sua sensibilidade à radiação UV. Os resultados das análises independentes do cultivo revelaram o potencial da radiação UV para afetar a estrutura das comunidades bacterianas ao selecionar bactérias resistentes. A análise do perfil de utilização de fontes de carbono usando o sistema de Ecoplacas Biolog ® e a determinação das taxas de incorporação de leucina e timidina permitiu também verificar que a radiação UV modifica o funcionamento das comunidades bacterianas. Os resultados obtidos indicam a possibilidade do bacterioneuston conter um conjunto de estirpes resistentes a UV que, mediante as condições meteorológicas apropriadas, podem ser selecionadas aquando da exposição à radiação.

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.

Técnicas biomoleculares no diagnòstico e tipificação em virologia vegetal

Tese de dout., Ciências Agrárias (Protecção de Plantas), Unidade de Ciências e Tecnologias Agrárias, Univ. do Algarve, 1994

Molecular structure and functional analysis of runx3 in zebrafish

Tese de doutoramento, Ciências Biomédicas, Universidade do Algarve, Departamento de Ciências Biomédicas e Medicina, 2014

Phylogenetic insights of Avena genus based on genomic analysis of 45S rDNA molecular organization

Tese de mestrado. Biologia (Biologia Molecular e Genética). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Paternidad extramatrimonial y las pruebas biológicas

la formulación de las leyes básicas de la herencia hasta el día de hoy las ciencias han permitido la realización de varios tipos de pruebas que permiten establecer los ligamentos antropoheredobiologicos entre un ser humano y su progenitor

Reflexiones en torno al concepto de vida

Esto texto examina cuatro conceptos de vida que se consideran notables en el siglo XX, los contrasta y propone algunos aspectos que pueden enriquecer el concepto.

Recurso Web para el aprendizaje de aplicaciones bioinformáticas : análisis de microarrays.

Resumen tomado de la publicación

Biology 2 for OCR.

Este volumen proporciona una cobertura completa para la enseñanza de la nueva especificación del Nivel Avanzado (AS) para la enseñanza de la Ciencia del revisado plan de estudios de septiembre del año dos mil ocho, y ha sido respaldado por el OCR. Los objetivos están definidos para que los estudiantes sepan exactamente qué es lo que necesitan aprender. Preguntas de auto- evaluación y el modelo de examen al final de cada capítulo, ofrecen oportunidades para el estudio independiente. Viene con un CD-ROM que proporciona información adicional y enlaces a sitios web libres, llenos de actividades de aprendizaje electrónico para el avance de los alumnos que lo necesiten y fomentar la ampliación del conocimiento. Biología 2 permite a los alumnos aprender sobre: comunicación; nervios; hormonas; excreción; fotosíntesis; respiración; control celular; la meiosis; la clonación en plantas y animales; biotecnología; tecnologías de genomas y genes ecosistemas; poblaciones y sostenibilidad; respuestas de las plantas; respuesta animal; comportamiento de los animales. Tiene un glosario de palabras clave, respuestas a la autoevaluación e índice .

Avaliação da presença dos elementos transponíveis P e GYPSY em ácaros parasitas e microhimenópteros parasitóides de Drosophila

Na tentativa de identificar possíveis vetores para transferência horizontal (fenômeno que vem sendo cada vez mais bem documentado) de elementos transponíveis entre espécies reprodutivamente isoladas de Drosophilidae, foi investigada a presença dos elementos transponíveis P e gypsy no genoma de quatro ácaros (parasitas ou potencialmente parasitas) e nove microhimenópteros parasitóides de Drosophila, através das técnicas de PCR e Southern blot. Estes organismos são parte integrante das guildas de invertebrados, cuja riqueza na Região Neotropical é particularmente expressiva. Em dois dos ácaros analisados (Proctolaelaps sp. e Macrocheles muscaedomesticae), reconhecidamente predadores de ovos de Drosophila, foram identificadas sequências com homologia a ambos os transposons, cuja forma de mobilização é diferente: gypsy é um retroelemento, com características de infectividade similares à dos retrovírus e P é um transposon de DNA, que usa uma transposase para mediar sua movimentação dentro e entre genomas. Embora seja ainda necessário isolar e clonar estas seqüências, de forma a permitir a sua comparação com os elementos P e gypsy de Drosophila, sugere-se a potencialidade destes ácaros como vetores de transferência horizontal. Dos genomas de oito entre os nove microhimenópteros (vespas) parasitóides de pupas de Drosophila estudados, foram amplificadas seqüências homólogas tanto com P, quanto com gypsy. Dada a compatibilidade ecológica e a íntima relação estabelecida entre essas vespas e Drosophila, a potencialidade desses organismos como vetores de transferência lateral entre taxa reprodutivamente isolados também é proposta.

Filogenia molecular, taxas evolutivas, tempo de divergência e herança organelar em Passiflora L. (Passifloraceae)

Passiflora é um gênero neotropical que apresenta uma grande variabilidade floral e foliar, o que dificulta enormemente sua classificação taxonômica. A característica mais marcante do gênero é a corona de filamentos em suas flores. Para melhor entender a taxonomia de Passiflora, foram analisadas sete regiões de seu DNA, englobando os genomas plastidial, mitocondrial e nuclear de 104 espécies. Essas espécies incluem 19 dos 23 subgêneros da classificação morfológica antiga e todos os quatro subgêneros da classificação mais recente, também baseada em caracteres externos. Os resultados corroboraram a proposta mais recente, que divide o gênero em quatro subgêneros (Astrophea, Decaloba, Deidamioides e Passiflora), com a adição de mais um, Tryphostemmatoides. Os três subgêneros com o número de espécies mais representativo (Astrophea, Decaloba e Passiflora) formam grupos monofiléticos estatisticamente bem fundamentados. No entanto, Deidamioides não é monofilético em todas as análises e marcadores, enquanto que Tryphostemmatoides é representado por apenas uma espécie. Foram também estudadas as prováveis datas de surgimento de Passiflora e sua diversificação nos três principais subgêneros, através do estudo de quatro regiões do DNA, englobando também os três genomas, em 70 espécies. Verificou-se que o gênero Passiflora deve ter aparecido há cerca de 42 milhões de anos atrás (Ma); Decaloba parece ter sido o primeiro subgênero a se estabelecer (35 Ma), enquanto que os subgêneros Astrophea e Passiflora devem ter se diversificado há 24 Ma Estes dois subgêneros parecem ter tido uma radiação rápida em comparação a Decaloba, que possui árvores filogenéticas com comprimentos dos ramos significativamente maiores que os outros dois. As adaptações morfológicas a diferentes polinizadores devem ter sido as principais responsáveis pela radiação rápida. A herança organelar de dois subgêneros, Decaloba e Passiflora, foi investigada através de um e quatro híbridos interespecíficos, respectivamente. A herança foi estritamente materna para a mitocôndria e o cloroplasto em Decaloba, enquanto que no subgênero Passiflora ocorreu herança materna para o DNA mitocondrial e paterna para o DNA plastidial. Esses resultados reforçam os dados obtidos pela filogenia, no que se refere à diferenciação e diversificação dos subgêneros, pois há evidências de que a herança materna dos cloroplastos seja ancestral em plantas.

Estudo filogenético das espécies da seção Torva do gênero Solanum L. (Solanaceae) na região sul do Brasil

O gênero Solanum L. (Solanaceae) compreende mais de 1000 espécies, incluindo táxons de grande interesse econômico por seu valor alimentício e medicinal. Este gênero é dividido em três subgêneros: Bassovia, Solanum e Leptostemonum. O subgênero Leptostemonum é dividido em dez seções, e entre essas destaca-se a seção Torva que possui representantes no sul do Brasil, e cujas espécies têm amplo interesse por apresentarem substâncias ativas de grande utilidade farmacológica. Entretanto, dentro dessa seção existem problemas taxonômicos, inclusive com a presença de indivíduos de morfologia intermediária, que dificultam sua classificação e, conseqüentemente, o seu melhor aproveitamento. Nesse trabalho, foram realizados dois estudos de caráter filogenético a fim de conhecer as relações de parentesco entre as espécies de Solanum seção Torva, presentes no sul do Brasil, e destas com espécies de outras seções do subgênero Leptostemonum. Em ambos os estudos foram utilizados quatro marcadores (genomas nuclear e plastidial): a região ITS (espaçadores internos transcritos do DNA nuclear ribossomal) incluindo ITS1, ITS2 e o gene 5,8S; o íntron trnL e os espaçadores intergênicos trnL-trnF e trnS-trnG do DNA plastidial. O marcador ISSR (Inter Simple Sequence Repeats) foi utilizado para verificar a variabilidade genética entre as espécies de Solanum seção Torva e testar o grau de polimorfismo de quatro “primers” dentro dessa seção. As análises realizadas evidenciaram uma origem monofilética para a seção Torva. Além disso, foi verificada uma relação de parentesco mais acentuado dessa seção com S. melongena, S. jamaicense e S. sisymbriifolium. Dentro da seção Torva foram observados agrupamentos que relacionam a espécie de morfologia intermediária a seus possíveis progenitores S. paniculatum e S. guaraniticum. Os quatro agrupamentos mais freqüentes observados dentro da seção foram: a aproximação de S. guaraniticum, S. bonariense e S. paniculatum X S. guaraniticum; o relacionamento entre S. adspersum e S. tabacifolium; a interação entre S. paniculatum e a espécie de morfologia intermediária; e a aproximação entre S. paniculatum e S. variabile. Este trabalho contribuiu para o conhecimento evolutivo das espécies dessa complexa seção que vem levantando interesse de inúmeros pesquisadores.

Estudo do genoma do vírus causador da mionecrose infecciosa em camarões e desenvolvimento de métodos para detecção de diferentes variantes

Shrimp farming is one of the activities that contribute most to the growth of global aquaculture. However, this business has undergone significant economic losses due to the onset of viral diseases such as Infectious Myonecrosis (IMN). The IMN is already widespread throughout Northeastern Brazil and affects other countries such as Indonesia, Thailand and China. The main symptom of disease is myonecrosis, which consists of necrosis of striated muscles of the abdomen and cephalothorax of shrimp. The IMN is caused by infectious myonecrosis virus (IMNV), a non-enveloped virus which has protrusions along its capsid. The viral genome consists of a single molecule of double-stranded RNA and has two Open Reading Frames (ORFs). The ORF1 encodes the major capsid protein (MCP) and a potential RNA binding protein (RBP). ORF2 encodes a probable RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) and classifies IMNV in Totiviridae family. Thus, the objective of this research was study the IMNV complete genome and encoded proteins in order to develop a system differentiate virus isolates based on polymorphisms presence. The phylogenetic relationship among some totivirus was investigated and showed a new group to IMNV within Totiviridae family. Two new genomes were sequenced, analyzed and compared to two other genomes already deposited in GenBank. The new genomes were more similar to each other than those already described. Conserved and variable regions of the genome were identified through similarity graphs and alignments using the four IMNV sequences. This analyze allowed mapping of polymorphic sites and revealed that the most variable region of the genome is in the first half of ORF1, which coincides with the regions that possibly encode the viral protrusion, while the most stable regions of the genome were found in conserved domains of proteins that interact with RNA. Moreover, secondary structures were predicted for all proteins using various softwares and protein structural models were calculated using threading and ab initio modeling approaches. From these analyses was possible to observe that the IMNV proteins have motifs and shapes similar to proteins of other totiviruses and new possible protein functions have been proposed. The genome and proteins study was essential for development of a PCR-based detection system able to discriminate the four IMNV isolates based on the presence of polymorphic sites