Proteotoxic stress in human genome stability

Abstract

Incorporation of errors during protein synthesis is denominated mistranslation. This compromises the acquisition of a correct final three dimensional structure and consequently the accumulation in the cell of proteins with abnormal conformations. Cells have protein quality control (PQC) mechanisms to counteract the accumulation of aberrant proteins, but when these systems are overloaded proteins aggregate, generating proteotoxic stress. Mistranslation is associated with several diseases and with genomic alterations in yeast that increase adaptation potential. In this work, HEK293 cells were transfected with mutated tRNAs that misincorporate serine at various non-cognate codon sites. For this, a serine tRNAAGA was mutated in the anticodon and transfected into the HEK293 cells, creating five different cell lines that incorporate serine at Ala, Leu, Val, and His codons; one line was transfected with an empty plasmid (Mock). These cell lines were studied by flow cytometry and flourescence microscopy in order to evaluate their viability, proliferation, DNA content and micronuclei accumulation. The results show that mistranslation induced by these tRNAs does not affect the cellular viability but may promote minor DNA alterations. Also, cellular proliferation was compromised in some cell lines, namely in the cell line that misincorporates serine at leucine codons. In this cell line, the cell cycle was arrested in S or G2/M phases. Regarding micronuclei formation, a slight increase was seen in alanine and leucine cell lines. This cellular model allowed us to investigate the effect of low level of mistranslation on the genome of human cells and showed that human cells are highly resistant to the accumulation of aberrant proteins.

A introdução de erros durante a síntese proteica é um processo denominado mistranslation, do qual resulta a incorporação errónea de aminoácidos na proteína. Este processo compromete a aquisição da estrutura final correcta das proteínas e consequentemente a sua acumulação. As células apresentam mecanismos de controlo de qualidade de proteínas (PQC) que contrariam esta acumulação mas, se sobrecarregados, as proteínas podem agregar umas com as outras provocando danos nas células. A mistranslation está associada com vários efeitos tóxicos e diversas doenças. Recentemente, a mistranslation foi associada com alterações no genoma da levedura, que aumentam a sua capacidade adaptativa. Neste trabalho, células HEK293 foram transfectadas com tRNAs mutados para demonstrar como o processo de mistranslation afecta o genoma das células. Para tal, um tRNAAGA de serina foi mutado no anticodão e transfectado nas células, criando cinco linhas celulares diferentes que incorporam serina em codões de Ala, Leu, Val, e His. Foi também construída uma linha contendo um plasmídeo vazio (Mock). As linhas celulares criadas foram estudadas por citometria de fluxo e microscopia de flourescência, de modo a avaliar a viabilidade e proliferação celular, o conteúdo em DNA e a acumulação de micronúcleos. Os resultados mostram que o nível de mistranslation provocado nas células não afecta a viabilidade celular mas pode provocar algumas alterações no DNA. A proliferação celular foi afectada na linha celular que incorpora serina em codões de leucina, se observou uma paragem do ciclo celular nas fases S ou G2/M. Em relação aos micronúcleos, verificou-se um ligeiro aumento nas linhas celulares que incorporam serina em codões de alanina e leucina. Este modelo de estudo permitiu entender os efeitos dos níveis de mistranslation no genoma de células humanas e mostrar que estas células são bastante resistentes à acumulação de proteínas aberrantes.