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.

Diversity and biology of polychaeta of Diopatra Genus

Os anelídeos poliquetas são elementos importantes em ambientes estuarinos e costeiros, pela sua elevada biodiversidade e abundância e pelo papel que têm nas cadeias tróficas. Algumas espécies são intensivamente exploradas para serem utilizadas como isco na pesca desportiva e profissional, como é o caso de Diopatra neapolitana. Apesar da importância económica, existem poucos estudos sobre a sua biologia e ecologia. No decorrer deste estudo foram identificadas duas outras espécies do género Diopatra em Portugal: D. marocensis, inicialmente descrita para a costa de Marrocos e cuja distribuição actual se sabe estender-se a toda a costa Portuguesa e Norte de Espanha e, D. micrura, espécie nova para a ciência. O presente estudo tem como objectivos principais estudar a diversidade e reprodução do género Diopatra, bem como a capacidade de regeneração da espécie D. neapolitana. Este trabalho aborda a distribuição espacial de D. marocensis ao longo da costa Portuguesa e descreve a espécie D. micrura, uma nova espécie do género Diopatra Audouin and Milne Edwards, 1833. As três espécies coabitam em águas transicionais, onde as espécies D. micrura e D. marocensis facilmente se confundem com juvenis de D. neapolitana. Foi realizada uma comparação morfológica e genética entre as três espécies. A espécie D. neapolitana coexiste em algumas áreas da Ria de Aveiro com a D. marocensis. Apesar destas duas espécies apresentarem padrões reprodutivos muito diferentes, Maio a Agosto é o período principal para a reprodução de ambas as espécies. D. neapolitana apresenta um desenvolvimento larvar planctónico, e os óocitos presentes na cavidade celómica são esverdeados e apresentam um diâmetro de 40-240 μm (média = 164.39±40.79 μm) e as fêmeas contêm no celoma milhares de óocitos. Contrariamente, a espécie D. marocensis reproduz-se por desenvolvimento directo no interior do tubo parental. Os óocitos observados no celoma são amarelos com um diâmetro entre 180 e 740 μm (média = 497.65 ± 31.38 μm) e o seu número varia entre 44 e 624 (276.85 ± 161.54). Por seu turno, o número de ovos observados no interior dos tubos varia entre 75 e 298, com um diâmetro entre 600 e 660 μm, e o número de larvas entre 60 e 194. A proporção machos: fêmeas foi de 1:1 para a população de D. neapolitana e entre 1:2 e 1:4 para a população de D. marocensis, em que as fêmeas dominam a população durante todo o ano. O estudo da capacidade de regeneração da espécie D. neapolitana, avaliada a partir de experiências de laboratório, revelou que esta espécie é capaz de sobreviver à perda de alguns setígeros. Durante a captura de D. neapolitana para vender como isco são normalmente cortados mais de 20 setígeros e de acordo com os nossos resultados a extremidade posterior que fica no tubo não é capaz de regenerar a extremidade anterior; a espécie consegue no entanto recuperar de ataques por predadores.

Toxicity assessment of essential metals in aquatic detritivores

Os contaminantes provenientes quer de fontes naturais quer como consequência da atividade humana, têm contribuído para a degradação dos ecossistemas aquáticos. Entre estes encontram-se os metais que podem, ou não ser essenciais mediante o papel que desempenham no metabolismo dos organismos. O cobre e o zinco são exemplos de metais essenciais, contudo quando atingem concentrações elevadas podem tornar-se tóxicos. Os detritívoros aquáticos desempenham um papel fundamental na decomposição da matéria orgânica, alimentando-se de carcaças e partes de plantas que caem nos cursos de água. Assim, estes organismos permitem que o ciclo dos nutrientes se complete e servem como elo de ligação entre todos os grupos funcionais do ecossistema mantendo o seu equilíbrio estrutural e funcional. Sendo a matéria orgânica a sua principal fonte de energia estão sujeitos à contaminação existente no meio, pelo que é de todo o interesse proceder-se à avaliação dos efeitos da toxicidade de metais nestes organismos. Uma vez que as diferenças comportamentais consequentes desta exposição podem originar variações na densidade e diversidade, o que se refletirá a nível das comunidades, originando alterações na estrutura e funcionamento do ecossistema. Tendo em vista a avaliação dos efeitos da contaminação por metais em detritívoros, o principal objetivo deste trabalho foi comparar a sensibilidade a metais essenciais de dois detritivoros aquáticos, o camarão Atyaephyra desmarestii e o anfípode Echinogammarus meridionalis. Para tal, avaliaram-se os efeitos do cobre e do zinco a diferentes níveis de organização biológica. Primeiro, foram determinadas as preferências alimentares de A. desmarestii e E. meridionalis considerando tanto a área das folhas como a contaminação por metais das folhas. Em seguida, avaliaram-se os efeitos do cobre e do zinco na sobrevivência e inibição alimentar de ambas as espécies. Finalmente, avaliaram-se os efeitos destes mesmos metais a nível bioquímico utilizando uma bateria de biomarcadores que incluiu enzimas de stresse oxidativo, o sistema de defesa antioxidante e as colinesterases. Ambos os organismos não mostraram preferência em relação a folhas de área diferente. A presença de uma maior ou menor concentração de metais essenciais no alimento não teve qualquer influência na sua escolha pelo alimento (contaminado ou não). Os ensaios agudos de cobre e zinco mostraram que o cobre é mais tóxico para ambas as espécies do que o zinco. O camarão demonstrou ser mais sensível ao zinco que o anfípode, tendo este sido mais sensível ao cobre ( CL50 do cobre para A. desmarestii foi de 0,128 mg.l-1 e o de E. meridionalis foi de 0,050 mg.l-1; os valores correspondentes para o zinco foram 7,951 e 11,860 mg.l-1, respectivamente. Em relação aos efeitos subletais, o cobre teve efeitos notórios na taxa de alimentação de E. meridionalis, mas não afectou a de A. desmarestii. No que diz respeito à exposição ao zinco, ambas as espécies parecem apresentar tendência para inibir a alimentação. A caracterização das colinesterases revelou que a principal forma presente em ambas as espécies é a acetilcolinesterase, a qual que não foi afetada pela presença dos metais, no caso do camarão, mas parece ser inibida pelo zinco no caso do anfípode. O cobre inibiu o sistema de defesa enzimático de ambas as espécies, sem sinais de danos lipídicos. Para além disto, inibiu uma das enzimas antioxidantes (GPx) do anfípode. Apesar de não ter ocorrido dano lipídico após exposição ao cobre, observou-se um ligeiro aumento dos níveis das LPO, o que pode ser indicativo de uma potencial existência de dano oxidativo, como resultado da falha do sistema de defesa antioxidante. Por outro lado, o zinco induziu o sistema de defesa em E. meriodionalis prevenindo o dano lipídico. Enquanto em A. desmarestii o sistema enzimático antioxidante não respondeu, tendo ocorrido dano celular oxidativo considerando-se, assim, que o sistema de defesa antioxidante do camarão pode ser comprometido por exposição a metais. Ainda que os danos celulares oxidativos tivessem ocorrido a baixas concentrações de zinco. A exposição a este metal também induziu a actividade da GST de E. meriodionalis. Considerando que a taxa de alimentação foi severamente reduzida no caso deste organismo, o zinco parece ser o metal cuja concentração no ecossistema requer maior atenção. Integrando as respostas dos biomarcadores parece também evidente que A. desmarestii responde de uma maneira geral a maiores concentrações dos dois metais, enquanto a resposta de E. meridionalis ocorre a concentrações inferiores. Pelo que, E. meridionalis parece ser mais sensível ao nível bioquímico. Neste trabalho, os dois detritívoros, com ligeiras diferenças no modo como utilizam a matéria orgânica disponível, apresentam diferenças na sensibilidade aos metais essenciais a vários níveis de organização biológica, sendo o zinco o metal que poderá causar maior preocupação a nível bioquímico, enquanto o cobre parece ser o mais tóxico ao nível do organismo, causando mortalidade a concentrações mais baixas.

Ecology and conservation of felids in the Brazilian pantanal

Habitat conversion and environmental degradation have reached alarming levels in the Pantanal, endangering all its biodiversity. This scenario is complicated by the fact that the biome relies on only a few protected areas, which combined do not exceed 10% of the territory. Felids, as predators, play a vital role in the maintenance of this ecosystem, but require large areas, have low population densities and, typically, are very sensitive to environmental disturbances. Amolar Mountain Ridge is considered an area of extreme importance and high priority for conservation within the biome. There are four species of felids in this region: the jaguar (Panthera onca), the puma (Puma concolor), the ocelot (Leopardus pardalis), and jaguarundi (Puma yagouaroundi). However, little is known about the ecology of these species in this region or the magnitude of interaction between the communities living around the protected areas and the animals. The goal of this study was to increase our knowledge about these felids and understand how people interact with them in order to contribute to their conservation in the network of parks within Amolar. Camera trapping surveys were carried out in two areas of the network, covering approximately 83,000 hectares, in order to identify the species of mammals occurring in the region, those that may be potential prey for the felids, and to obtain basic ecological data about both felids and prey. In addition, we conducted surveys in three riverside schools in order to assess the knowledge, perceptions and attitudes of schoolchildren regarding the four focal felids, and surveys among the adult population to assess their perceptions and attitudes towards the jaguar. We recorded a total of 33 species of mammals from both study areas. The large cats were cathemeral, reflecting the temporal activity of larger prey, whereas the ocelot was nocturnal, mirroring the activity of smaller prey. Jaguar occupancy was influenced by prey abundance, while puma occupancy was influenced by patch density in drier dense forest. Jaguars and pumas may be competitors over temporal and spatial scales, while no resource overlap was found for ocelots. Overall, both adults and children tended to have negative perceptions about the cats, which were related to the fear of being attacked. To increase awareness about the species and to maximize the effectiveness of protective measures in the network of reserves, it is recommended to develop and implement an Environmental Educational Program in the medium- to long-term in order to minimize the fear of these felids and to counsel locals on the role of felids in the maintenance of the Pantanal’s biodiversity.

Functional analysis of String/CDC25 phosphatase in post-mitotic neurons

Cell cycle and differentiation are two highly coordinated processes during organ development. Recent studies have demonstrated that core cell cycle regulators also play cell cycle-independent functions in post-mitotic neurons, and are essential for the maintenance of neuronal homeostasis. CDC25 phosphatases are well-established CDK activators and their activity is mainly associated to proliferating tissues. The expression and activity of mammalian CDC25s has been reported in adult brains. However, their physiological relevance and the potential substrates in a non-proliferative context have never been addressed. string (stg) encodes the Drosophila CDC25 homolog. Previous studies from our group showed that stg is expressed in photoreceptors (PRs) and in lamina neurons, which are two differentiated cell types that compose the fly visual system. The aims of this work are to uncover the function of stg and to identify its potential neuronal substrates, using the Drosophila visual system as a model. To gain insight into the function of stg in a non-dividing context we used the GAL4/UAS system to promote downregulation of stg in PR-neurons, through the use of an RNAi transgene. The defects caused by stg loss-of-function were evaluated in the developing eye imaginal disc by immunofluorescence, and during adult stages by scanning electron microscopy. This genetic approach was combined with a specific proteomic method, two-dimensional difference gel electrophoresis (2D-DIGE), to identify the potential substrates in PR-cells. Our results showed that stg downregulation in PRs affects the well-patterned retina organization, inducing the loss of apical maintenance of PR-nuclei on the eye disc, and ommatidia disorganization. We also detected an abnormal accumulation of cytoskeletal proteins and a disruption of the axon structure. As a consequence, the projection of PR-axons into the lamina and medulla neuropils of the optic lobe was impaired. Upon stg downregulation, we also detected that PR-cells accumulate Cyclin B. Although the rough eye phenotype observed upon stg downregulation suggests neurodegeneration, we did not detect neuronal death during larval stages, suggesting that it likely occurs during pupal stages or during adulthood. By 2D-DIGE, we identified seven proteins which were differentially expressed upon stg downregulation, and are potential neuronal substrates of Stg. Altogether, our observations suggest that Stg phosphatase plays an essential role in the Drosophila visual system neurons, regulating several cell components and processes in order to ensure their homeostasis.