Amino Acid Biosynthesis and Protein Synthesis: Co-evolution and Synthetase Classes, Exercícios de Evolução

Baixe Amino Acid Biosynthesis and Protein Synthesis: Co-evolution and Synthetase Classes e outras Exercícios em PDF para Evolução, somente na Docsity!

Sávio Torres de Farias

Estrutura e Evolução do Código Genético

Belo Horizonte Departamento de Biologia Geral Instituto de Ciências Biológicas 2006

Sávio Torres de Farias

Estrutura e Evolução do Código Genético

Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Genética do Instituto de Ciências Biológicas da Universidade Federal de Minas Gerais, como requisito parcial para a obtenção do titulo de Doutor em Genética. Orientador: Romeu Cardoso Guimarães Belo Horizonte Departamento de Biologia Geral Instituto de Ciências Biológicas 2006

“A origem da vida parece... Quase um milagre, tantas são as condições que teriam de ter sido satisfeitas para fazê-la acontecer.” (Francis Crick)

Sumário

• Apresentação
• Parte I – Origem e Evolução do Código Genético
  • • Introdução
    • Histórico do Código Genético
    • Evolução do Código Genético
    • Referências
  • • Apresentação do Modelo Auto-referente
    • “A self-referential model for the formation of the genetic code”
  • • Relações de hidropatia no modelo Auto-referente - between anticodons and amino acids residues” “Structure of the genetic code suggested by the hydropathy correlation
  • • Filogenia das aminoacil-tRNA sintetase
    • “Aminoacyl-tRNA synthetase class and groups in prokaryotes”
• Parte II – Termoestabilidade e Origem da vida
  • • Termoestabilidade e Origem da vida
    • Referências
  • • Relações entre o uso de aminoácidos e termoestabilidade
    • “ Preferred amino acids and thermostability” - termoestabilidade - Dados confirmando a importancia de determinados aminoácidos na
    • “Prediction of potential thermostable proteins in Xylella fastidiosa ”
  • • Relações entre utilização de códons para arginina e termoestabilidade
    • “Correlation between codon usage and thermostability” - segundo o modelo Auto-referente - Proposição de um modelo evolutivo para expansão dos códons para arginina,
      • Modelo para expansão dos códons de arginina
      • Referências
• Parte III - Perspectivas
• Parte IV - Conclusões

Aspectos estruturais e evolutivos do Código Genético

Sávio Torres de Farias Romeu Cardoso Guimarães Orientador A organização da tese seguirá o seguinte formato: I) origem e Evolução do Código Genético a) Introdução b) Apresentação do modelo Auto-referente. Artigo “A self-referential model for the formation of the genetic code”, aceito pelo periódico Journal of Biosemiotics. c) Apresentação das relações de hidropatia no modelo Auto-referente. Artigo “Structure of the genetic code suggested by the hydropathy correlation between anticodons and amino acid residues”, publicado no periódico Origins of Life and Evolution of Biospheres. d) Apresentação da Filogenia das aminoacil-tRNA sintetases. Artigo “Aminoacyl- tRNA synthetase class and groups in prokaryotes”, submetido no periódico Journal of Theoretical Biology. II) Termoestabilidade e origem da vida a) Introdução

b) Apresentação das relações entre aminoácidos e termoestabilidade. Artigo “Preferred amino acids and thermostability”, publicado no periódico Genetics and Molecular research. c) Apresentação de dados confirmando a importância de determinados aminoácidos na termoestabilidade. Artigo “Prediction of potential thermostable proteins in Xylella fastidiosa”, publicado no periódico Journal of Theoretical Biology. d) Apresentação da relação entre utilização de códons para o aminoácido arginina e a termoestabilidade. Artigo “Correlation between codon usage end themostability”, in press no periódico Extremophiles. e) Proposição de um modelo evolutivo para expansão dos códons para o aminoácido arginina, segundo o modelo Auto-referente. III) Pespectivas IV) Conclusão

Introdução

Histórico do Código Genético Na final da primeira metade do século XX, duas descobertas dão inicio ao que podemos chamar de era da biologia molecular. A primeira foi à confirmação do DNA como a molécula onde a informação biológica estava armazenada (Referência), a segunda foi o desenvolvimento da idéia de um gene uma enzima (Beadle e Tatum, 1941). No inicio dos anos de 1950 a biologia molecular ganhou um grande impulso com a elucidação da estrutura tridimensional do DNA por Watson e Crick em 1953. Um ano antes da descoberta da estrutura do DNA, começava na comunidade cientifica uma das discussões teóricas mais frutíferas da biologia contemporânea. Em 1952, Alexander Dounce propõe o primeiro modelo para explicar a relação entre a informação contida no DNA e as proteínas. Neste modelo ele propunha uma interação direta entre aminoácidos e nucleotídeos, sendo a leitura sobreposta e o significado dependente da quantidade dos nucleotídeos na trinca codificadora. No ano de 1954, George Gamow propõe um novo modelo, onde assim como no modelo proposto por Dounce, dois anos antes, era postulado uma interação direta entre os aminoácidos e os nucleotídeos sendo a leitura sobreposta. Porém seu modelo trazia um modelo físico para a interação entre aminoácidos e nucleotídeos, esta interação ocorreria na forma de chave-fechadura, onde os aminoácidos se "encaixavam" entre o espaço produzido pela interação de 4 nucleotídeos na estrutura tridimensional do DNA. a composição destes 4 nucleotídeos definiria a especificidade para determinado aminoácido, este modelo é conhecido como código Diamante. Em 1955, Francis Crick, propõe uma nova idéia para a interação entre aminoácidos e nucleotídeos (a hipótese do adaptador), nesta hipótese é proposto que existiria uma molécula que estabeleceria uma comunicação entre a

informação contida nos ácidos nucléicos e os aminoácidos. Esta molécula foi identificada posteriormente e chamada de RNA transportador ou tRNA. Em 1957, Brenner demonstra a impossibilidade de um código genético sobreposto, neste mesmo ano Crick e colaboradores demonstram que a leitura da informação contida nos ácidos nucléicos não tem vírgula, desta forma a inserção ou deleção de um nucleotídeo alteraria o significado da informação. Em 1960, Hoagland identificou as enzimas responsáveis pela ligação do aminoácido na molécula adaptadora, estas enzimas são conhecidas como aminoacil-tRNA sintetases. Em 1961, Crick encontrou fortes evidencias indicando que o código era lido em trincas e que esta leitura se iniciava em um ponto fixo, o que definia a fase de leitura do gene. Após mais de uma década de discussões teóricas à cerca da natureza do código genético, em 1964, o grupo liderado por Nirenberg, inicia uma serie de experimentos que objetivaram identificar o significado de cada trinca de nucleotídeos. Desta forma conseguem identificar qual trinca correspondia a que aminoácido. Em 1965, Brenner e colaboradores identificam os sinais de terminação dos genes. Um ano antes Marcker e Sanger sugeriram a existência de um sinal de inicio da cadeia protéica. Desta forma, na década de 1960, o Código Genético estava decifrado, e com as seguintes características: a) É degenerado, tendo alguns aminoácidos sendo codificados por mais que uma trinca. b) É lido sem virgulas, a entrada ou retirada de um nucleotídeo muda o quadro de leitura do gene. c) Está aparentemente organizado de uma forma que diminua o efeito de uma mutação missense. d) Possui sinais de inicio e parada da cadeia polipeptídica. e) É codificado por trincas de nucleotídeos, sendo cada trinca especifica por apenas um aminoácido.

primitivo que existiu antes da fixação do código universal. A segunda hipótese propunha que a relativa simplicidade do genoma nuclear poderia aceitar modificações que o código nuclear não aceitava. A primeira hipótese foi contestada com o aumento na diversidade das mudanças encontradas em diversos genomas mitocondriais, a segunda foi contestada em 1985 quando mudanças foram encontradas em genomas nucleares, mostrando com isso que o código genético estava em processo evolutivo, não estando portanto congelado (revisado por Wong, 1995). Na segunda metade da década de 1960, Sonneborn em 1965, identificou a relação físico-química como uma pressão seletiva que minimizaria os danos causados por mutações missense, Em 1968, Carl Woese propôs um modelo para o estabelecimento das relações entre códons e aminoácidos, em seu modelo era postulado que esta correspondência teria sido estabelecida através de correspondências de hidropatia entre aminoácidos e trincas de nucleotídeos (Woese, 1968). Um refinamento neste campo foi realizado por Lacey e Mullins (1983), quando mostraram que a correlação, entre aminoácidos e os principais dinucleotídeos do anticódon, era positiva. Um dos problemas apresentados nestes modelos é a relativa distancia entre o sitio aceptor e a trinca de nucleotídeos que compõe o códon. Na tentativa de resolver tal problema, foi proposta a existência de um código operacional localizado no braço aceptor que refletiria a hidropatia do códon (Schimmel, 1995), Porém tal hipótese ainda não foi totalmente evidenciada. Wong em 1975, propôs uma nova teoria para explicar a atual estrutura e o processo evolutivo que levou a tal estrutura. Neste modelo era postulado que o código genético se organizou em coevolução com o sistema bioquímico primordial. Desta forma, a estrutura do código genético foi estabelecida a partir do desenvolvimento das vias protobioticas de formação dos aminoácidos. Conseqüentemente, o caminho evolutivo que levou a essa organização, poderia ser elucidado com base na relação entre aminoácidos precursores e derivados nas vias metabólicas, estando muitos dos pares de precursores e derivados distantes apenas por um único nucleotídeo do seu códon. Uma das principais evidências deste modelo,

é que aminoácidos com propriedades diferentes, mas com vias metabólicas em comum, apresentam códons semelhantes (Knight e colaboradores, 1999). Assim, a aparente relação entre a hidropatia e a organização do código genético, seria uma decorrência do processo de desenvolvimento de vias metabólicas afins e não a força diretriz do processo (Di Giulio e Medugno, 1998). Porém, analises realizada por Amirnovin sobre as relações biossintéticas dos aminoácidos e a distribuição dos mesmos na matriz do código genético, tem revelado que tal correspondência é aparentemente estatística, não sendo o fator primordial na organização da matriz (Amirnovin, 1997). Entretanto, a aparente contraposição do modelo estereoquimico e o da coevolução das vias metabólicas parecer uma enorme simplificação do processo, podendo estes dois modelos terem co-participação na formação e evolução do código genético (Yarus e colaboradores, 2005) Hartman (1995), defende a idéia de que o código primitivo seria composto de poucos aminoácidos e códons. Neste modelo, os primeiros nucleotídeos a constituírem o código foram guanina (G) e citosina (C), e os primeiros aminoácidos seriam glicina (GG), prolina (CC), alanina (GC) e arginina (CG). Posteriormente, com a expansão do código dada pela introdução de adenina (A), os aminoácidos lisina, ácido glutamico, ácido aspartico, glutamina, asparagina, histidina, treonina e serina puderam ser especificados. O último nucleotídeo adicionado teria sido uracil (U), e os aminoácidos alanina, isoleucina, metionina, fenilalanina, tirosina, triptofano e cisteina. Este modelo baseia-se na evolução da complexidade nas estruturas protéicas, onde os primeiros aminoácidos formariam estruturas mais simples (Hartmam, 1995). Sánchez (1995), apresenta um modelo baseado na via de biossíntese de pirimidinas, onde propõe que o código genético, inicialmente, era composto por duas letras formando trincas. A via de biossíntese de pirimidinas sugere que adenina e uracil precederam guanina e citosina. Desta forma o código inicialmente seria composto de sete aminoácidos e um códon de parada, sendo eles: lisina, asparagina, metionina, isoleucina, leucina, fenilalanina e tirosina. Com a posterior introdução de guanina e citosina, não ocorreu um

Duas classes distintas de aminoacil-tRNA sintetases, I e II, foram identificadas, considerado-se propriedades bioquímicas e estruturais. Cada classe possui 10 tipos de enzimas: na classe I, aminoacil-tRNA sintetases específicas para ácido glutâmico, glutamina, triptofano, tirosina, valina, leucina, isoleucina, metionina, cisteína e arginina; na classe II, aminoacil-tRNA sintetases específicas para treonina, prolina, serina, lisina, ácido aspártico, asparagina, histidina, alanina, glicina e fenilalanina. As classes diferem entre si, em relação à arquitetura do sítio ativo, à ligação dos aminoácidos aos grupos OH 2' ou 3' do tRNA e à porção do tRNA que interage com a enzima. Apesar de realizarem reações catalíticas muito parecidas, estas enzimas formam um diversificado conjunto, indicando que as duas classes possivelmente tiveram uma origem independente (Delarue, 1995; Eriani e colaboradores, 1995; Nargel e Doolittle, 1995; Saks e Sampson, 1995; Voet e Voet, 1995; Wetzel, 1995; Schimmel e Pouplana, 1999; Woese e Colaboradores, 2000). Em geral, cada um dos tipos de AARS pertence a uma ou outra classe, fixada na evolução, em todos os três domínios, Bacteria, Archaea e Eucarya, sugerindo que a reação de aminoacilação precede a primeira partição da árvore da vida. Uma exceção é a lysyl-tRNA sintetase (LysRS). Na maioria dos organismos é uma enzima da classe II, no entanto em espiroquetas ( B. burgdorferi, Treponema pallidum ), em algumas -proteobacteria ( Rickettsia prowazekii ) e em muitos Archaea, a enzima tem a arquitetura da classe I. Todavia, LysRS da classe I pode aminoacilar eficientemente tRNAsLys^ de E. coli , que são substratos para LysRS classe II, sugerindo que moléculas de tRNALys, pré-existiram às LysRS, (Ibba e colaboradores, 1997). Todos os eucariotos caracterizados até o momento, tem LysRS classe II, (Schimmel e Pouplana, 1999). Em alguns casos uma AARS ativa um aminoácido o qual será posteriormente modificado por outra proteína. Há exemplo disto, nos três domínios, em relação à formação de Gln-tRNAGln. Inicialmente a enzima GluRS ativa o ácido glutâmico ligando-o ao tRNAGln (não-cognato). Posteriormente, Glu-tRNAGln^ é convertido a Gln-tRNAGln, por uma amidotransferase (Glu-AdT). Entre os Archaea, a via de aminoacilação com dois passos

também ocorre na formação de Asn-tRNAAsn. Assim, genes codificando as enzimas AsnRS e GlnRS não são encontrados entre os Archaea, (Bult e colaboradores, 1996). A presente tese está organizada em duas partes, tendo como objetivos gerais a apresentação do modelo Auto-referente, assim como a abordagem de pressupostos assumidos neste modelo. A primeira contém a apresentação do modelo Auto-referente para origem e evolução do Código Genético, sendo composta por três artigos. No primeiro artigo o modelo é apresentado com seus pressupostos, no segundo é apresentada uma analise de correspondência entre a hidropatia dos dinucleotideos principais e dos aminoácidos por eles especificados, no terceiro é proposto uma nova relação filogenética entre as aminoacil-tRNA sintetases de procariotos. A segunda parte é composta por três artigos, que abordam aspectos relacionados a termoestabilidade protéica e a relação desta estabilidade com a utilização de códons nos organismos hipertemófilos, termófilos e mesófilos. O primeiro artigo apresenta a relação entre a concentração de determinados aminoácidos e a termoestabilidade protéica, no segundo artigo é analisado o poder de predição de termoestabilidade protéica em organismos mesofilos, utilizando a relação entre os aminoácidos e a termoestabilidade apresentada no primeiro artigo, no terceiro artigo é apresentado a relação entre a utilização dos códons para o aminoácido arginina e a relação proposta no primeiro artigo entre aminoácidos e termoestabilidade, por ultimo é apresentado um modelo para expansão dos códons para o aminoácido arginina, esta expansão é proposta no modelo Auto referente, e segundo nosso modelo esta relacionada com uma seleção positiva para termoadaptação.

Di Giulio M, Medugno M. (1998) The historical factor: the biosynthetic relationships between amino acids and their physicochemical properties in the origin of the genetic code. J Mol Evol. 46(6):615-21. Dounce AL. (1952) Duplicating mechanism for peptide chain and nucleic acid synthesis. Enzymologia. 1;15(5):251-8. Driscoll DM, Copeland PR. (2003) Mechanism and regulation of selenoprotein synthesis. Annu Rev Nutr. 23:17-40. Eriani G, Cavarelli J, Martin F, Ador L, Rees B, Thierry JC, Gangloff J, Moras D. (1995) The class II aminoacyl-tRNA synthetases and their active site: evolutionary conservation of an ATP binding site. J Mol Evol. 40(5):499-508. Hartman H. (1995) Speculations on the origin of the genetic code. J Mol Evol. 40(5):541-4. Ibba M, Bono JL, Rosa PA, Soll D. (1997) Archaeal-type lysyl-tRNA synthetase in the Lyme disease spirochete Borrelia burgdorferi. Proc Natl Acad Sci U S A. 23;94(26):14383-8. Ibba M, Soll D. (2002) Genetic code: introducing pyrrolysine. Curr Biol. 9;12(13):R464-6. Klipcan L, Safro M. (2004) Amino acid biogenesis, evolution of the genetic code and aminoacyl-tRNA synthetases. J Theor Biol. 7;228(3):389-96. Knight RD, Freeland SJ, Landweber LF. (1999) Selection, history and chemistry: the three faces of the genetic code. Trends Biochem Sci. 24(6):241-7.

Krzycki JA. (2005) The direct genetic encoding of pyrrolysine. Curr Opin Microbiol. 8(6):706-12. Lacey JC, Mullins DW. (1983) Experimental studies related to the origin of the genetic code and the process of protein synthesis—a review. Orig. Life 13, 3–42. Moschos MP. (2000) Selenoprotein P. Cell Mol Life Sci. 57( 13 - 14):1836-45. Nagel GM, Doolittle RF. (1995) Phylogenetic analysis of the aminoacyl-tRNA synthetases. J Mol Evol. 40(5):487-98. Osawa S. (1995) Evolution of the Genetic Code. Oxford University Press Inc, New York, USA. Polycarpo C, Ambrogelly A, Berube A, Winbush SM, McCloskey JA, Crain PF, Wood JL, Soll D. (2004) An aminoacyl-tRNA synthetase that specifically activates pyrrolysine. Proc Natl Acad Sci U S A. 24;101(34):12450-4. Saks ME, Sampson JR. (1995) Evolution of tRNA recognition systems and tRNA gene sequences. J Mol Evol. 40(5):509-18. Sánchez AJ. (1995) On the origin and evolution of the genetic code. J Mol Evol. 41: 712- 716.