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.

Characterization of proteotoxic stress in zebrafish

A fidelidade da síntese proteica é fundamental para a estabilidade do proteoma e para a homeostasia celular. Em condições fisiológicas normais as células têm uma taxa de erro basal associada e esta muitas vezes aumenta com o envelhecimento e doença. Problemas na síntese das proteínas estão associados a várias doenças humanas e aos processos de envelhecimento. De facto, a incorporação de erros nas proteínas devido a tRNAs carregados pelas aminoacil-tRNA sintetases com o amino ácido errado causa doenças neurodegenerativas em humanos e ratos. Ainda não é claro como é que estas doenças se desenvolvem e se são uma consequência directa da disrupção do proteoma ou se são o resultado da toxicidade produzida pela acúmulação de proteínas mal traduzidas ao nível do ribossoma. Para elucidar como é que as células eucarióticas lidam com proteínas aberrantes e agregados proteicos (stress proteotóxico) desenvolvemos uma estratégia para destabilizar o proteoma. Para isso estabelecemos um sistema de erros de tradução em embriões de peixe zebra que assenta em tRNAs mutantes capazes de incorporar erradamente serina nas proteínas. As proteínas produzidas neste sistema despoletam as vias de resposta ao stress, nomeadamente a via da ubiquitina-proteassoma (UPP – “ubiquitin protesome pathway”) e a via do retículo endoplasmático (UPR – “unfolded protein response”). O stress proteotóxico gerado pelos erros de tradução altera a expressão génica e perfis de expressão de miRNAs, o desenvolvimento embrionário e viabilidade, aumenta a produção de espécies reactivas de oxigénio (ROS), leva ainda à acumulação de agregados proteicos e à disfunção mitocondrial. As malformações embrionárias e fenótipos de viabilidade que observámos foram revertidos por antioxidantes, o que sugere que os ROS desempenham papéis importantes nos fenótipos degenerativos celulares induzidos pela produção de proteínas aberrantes e agregação proteica. Estabelecemos ainda uma linha de peixe zebra transgénica para o estudo do stress proteotóxico. Este trabalho mostra que a destabilização do proteoma em embriões de peixe zebra com tRNAs mutantes é uma boa metodologia para estudar a biologia do stress proteotóxico visto que permite a agregação controlada do proteoma, mimetizando os processos de agregação de proteínas que ocorrem naturalmente durante o envelhecimento e em doenças conformacionais humanas.

Studies of epithelial response to streptozotocin-induced hyperglycemia

A hiperglicemia é a principal característica da diabetes mellitus (DM), uma das causas de morte que mais cresce em Portugal, e cujas complicações a longo prazo são mais debilitantes e mais sobrecarregam os sistemas de saúde. No entanto, os mecanismos subjacentes à resposta fisiológica de alguns tecidos à hiperglicemia não estão completamente esclarecidos. Este estudo teve como objetivo avaliar de que forma o tempo de exposição à hiperglicemia afeta dois tecidos epiteliais, o endotélio e as glândulas salivares, que são frequentemente associados a complicações da DM, utilizando um modelo animal. Adicionalmente, procurou-se encontrar novos biomarcadores para avaliar a suscetibilidade a complicações orais em diabéticos, analisando as modificações pós-traducionais (PTMs) da família de proteínas mais representativa na saliva humana: proteínas ricas em prolina (PRPs). A disfunção vascular está na origem de várias complicações da diabetes. Neste sentido, observou-se uma progressiva disfunção endotelial com o aumento do tempo de exposição à hiperglicemia, que resulta do aumento de danos no endotélio e da diminuição da capacidade de mobilização de células progenitoras. Simultaneamente, o aumento observado na atividade da via de ativação do sistema de complemento mediada por lectinas (MBL), sugere um envolvimento do sistema de imunidade inata na patogénese da disfunção vascular. Outra complicação comum da DM é o desenvolvimento de doenças orais, nomeadamente as relacionadas com a redução da secreção salivar. Na análise às glândulas submandibulares, observou-se uma resposta inicial à hiperglicemia com fortes variações na expressão de proteínas, mas a longo prazo, estas variações foram atenuadas, sugerindo um mecanismo de adaptação à hiperglicemia crónica. Adicionalmente, as proteínas relacionadas com a secreção, como as anexinas, apresentaram-se sobre-expressas, enquanto as calicreinas e proteínas metabólicas estavam sub-expressas. Estas variações sugerem que, apesar de uma diminuição da capacidade de regeneração, as células tentam superar a perda de tecido por meio do aumento da secreção, embora sem êxito. O comprometimento funcional das glândulas salivares tem consequências na composição e funções da saliva. Analisando as PTMs das PRPs salivares humanas, observou-se um aumento da frequência de péptidos com ciclização de resíduos N-terminais de glutamina a piroglutamato, o que confere uma resistência à atividade proteolítica que, por sua vez, se encontra aumentada em diabéticos. Assim, a presença de péptidos com N-piroglutamato poderá ser um potencial biomarcador da suscetibilidade a complicações orais em diabéticos.

Altered regulatory response of Rab7a and Rab9 in MM1 and VV2 subtype of Creutzfeldt-Jakob disease

The present study was undertaken to identify proteins interacting with PrPC that could provide new insights into its physiological functions and pathological role. We performed a target search for lysosomal network protein, Rab7a and Rab9, in frontal cortex and cerebellum of human brain from patients with sCJD-MM1 and sCJD-VV2. The intracellular level of Rab7a was increased significantly, when compared with healthy age-matched control. Interactions of PrPC and Rab7a/Rab9 were further investigated by using confocal laser scanning microscopy. Immunofluorescence results suggested potential interactions of Rab7a and PrPC. siRNA against the Rab7a gene was used to knockdown the expression of Rab7a protein in primary cell culture of cortical neurons from wild type mice. This depleted Rab7a resulted an impairment of PrPC trafficking leading to an accumulation of PrPC in the endocytosis pathway. Furthermore, interactions of Tau and Rab7a were investigated by using western blot analysis and confocal laser scanning microscopy. Cell cultures of cortex of wildtype mice were treated with siRNA-Tau, siRNA-Rab7 and control siRNA followed by immunofluorescence. The results of immunofluorescence suggested potential interaction of Tau and Rab7a. Cells lines treated with siRNA-Tau, the intracellular levels of Rab7a and Rab9 significantly increases and their localization is also modified. When we transfected this cells lines with siRNA-rab7a the accumulation of Tau decreases in cytosolic region and their localization was also modified when compared with control cells. In conclusion, this study may help to understand and characterize the subtype specific disease progression in CJD cases. Furthermore, it could be a step ahead to development of new treatment strategies for diseases subtype specific manner.