Explorando el uso alternativo de codones en levaduras

Pachysolen tannophilusTOM JEFFERIESCuando falla la expresión de proteínas recombinantes, un científico podría culpar a los datos de secuencia defectuosos oa un kit que salió mal. Pero en el caso de la levadura ascomiceto Pachysolen tannophillus, los investigadores han identificado un problema más fundamental: un codón CUG que normalmente se traduce en leucina, en cambio, da como resultado alanina. Esta codificación alternativa, que se une a otra reasignación de codones con sentido nuclear conocida en la levadura, se informó de forma independiente en dos publicaciones: un artículo de Genome Research de mayo y otro estudio, publicado esta semana (17 de agosto) en PNAS. Los autores de ambos artículos han señalado que sus descubrimientos en P. tannophillus puede ser relevante para ciertas aplicaciones biotecnológicas relacionadas con el microbio, así como para el estudio de la evolución basada en el ARN en la levadura.

El otro uso conocido de codones de sentido alternativo entre las levaduras se identificó por primera vez en Candida albicans hace dos décadas. Esto también involucra un codón CUG, pero resulta en serina en la traducción…

Que este evento ocurra dos veces en un linaje diferente es inesperado, dijo Manuel Santos, director del Instituto de Biomedicina de la Universidad de Aveiro, Portugal, que no participó en ninguno de los estudios.

Santos, que ha estudiado exhaustivamente la reasignación de CUG-serina, le dijo a The Scientist que si bien un cambio de codificación eventualmente puede confieren una ventaja de aptitud evolutiva, la reasignación inicial tiene un costo sustancial. Reemplazar la voluminosa leucina hidrofóbica con alanina o serina, ambos pequeños aminoácidos polares, podría alterar las estructuras y funciones de proteínas críticas. Debido a que el cambio está en el nivel de traducción, los investigadores necesitaban comparar secuencias y el uso de codones entre especies para identificar esta variación oculta.

Como parte de un gran estudio filogenético, investigadores del Departamento de Energía de EE. UU. Institute (JGI) en Walnut Creek, California, y sus colegas estudiaron la alineación de las proteínas predichas en 700 genes ortólogos de 29 levaduras diferentes en un esfuerzo por identificar los aminoácidos conservados y determinar de qué codones provienen. Es una especie de huella de para qué utiliza el organismo ese codón, dijo a The Scientist

el coautor del estudio Robert Riley, bioinformático del JGI.

Para la mayoría de las especies estudiadas, CUG codificado para leucina conservada entre el 70 y el 86 por ciento de las veces, pero para P. tannophilus, la codificación estándar ocurrió solo el 7 por ciento de las veces, en lugar de alinear el 25 por ciento con alanina, informaron los investigadores.

Para determinar qué aminoácido estaba realmente presente en las proteínas, Riley y sus colegas extrajeron péptidos de P. tannophilus cultivados y analizados mediante espectrometría de masas por cromatografía líquida (LC-MS). Encontraron 178 péptidos identificables que se mapearon en secuencias codificantes que contenían CUG; El 90 por ciento de ellos tenían picos de LC-MS que indicaban alanina y solo el 9 por ciento del espectro implicaba leucina. Cuando transformaron a P. tannophilus con un gen de resistencia a la higromicinasustituido por CUG o de tipo salvaje, solo las levaduras con el gen de selección alterado crecieron en placas de antibiótico.

La modificación de codones puede ser necesaria para los investigadores que utilizan levaduras para expresar nuevas proteínas en P. tannophilus y otras especies de levadura, como el caballo de batalla Saccharomyces cerevisiae, señaló Riley.

Más allá de sus efectos potenciales en esta y otras aplicaciones biotecnológicas, la codificación de alanina CUG podría cambiar la forma en que los científicos consideran la evolución del codón y del ARN de transferencia (ARNt).

Martin Kollmar del Instituto Max Planck de Química Biofísica en Gttingen, Alemania, quien dirigió el estudio publicado en Genome Research esta primavera, dijo que cree que las mutaciones de ARNt impulsan la reasignación, según el análisis estructural de su equipo de ARNt de 60 especies de levadura. Su grupo encontró que el P. La estructura secundaria de los ARNt de CUG de tannophilus se asemeja más a un ARNt de alanina que a uno de leucina o serina. Los datos de los equipos de espectrometría de masas en tándem LC (LC-MS/MS) mostraron altos niveles de P. tannophilus Cug tRNA especificidad, dijo Kollmar. Él y sus colegas identificaron alrededor de 2600 péptidos de alta calidad que coincidían con la secuencia de codificación con CUG y confirmaron que el 97,2 por ciento traducía el codón como alanina. Los investigadores observaron un porcentaje similar cuando realizaron el mismo análisis para el codón de inicio crítico, AUG, y concluyeron que existe una minúscula carga incorrecta de alanina.

Las posibles causas y efectos del uso de codones alternativos en la levadura siguen siendo cuestiones de actualidad. debate. Mientras tanto, puede haber más formas de codificación alternativa por descubrir.

Con los esfuerzos de secuenciación del genoma que se están realizando en hongos y otros organismos, y las herramientas informáticas que tenemos para comparar genes ortólogos, [más codificación variaciones] serán detectadas, dijo Santos.

S. Mhlhausen et al., Una nueva alteración del código genético nuclear en levaduras y la evolución de la reasignación de codones en eucariotas, Genome Research, doi:10.1101/gr.200931, 2016.

R. Riley et al., Genómica comparativa de levaduras biotecnológicamente importantes, PNAS, doi:10.1073/pnas.1603941113, 2016.

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