Study of tRNA modifying enzymes and codon usage bias in cancer

Abstract

Recent evidences indicate that tRNA modifications and tRNA modifying enzymes may play important roles in complex human diseases such as cancer, neurological disorders and mitochondrial-linked diseases. We postulate that expression deregulation of tRNA modifying enzymes affects the level of tRNA modifications and, consequently, their function and the translation efficiency of their tRNA corresponding codons. Due to the degeneracy of the genetic code, most amino acids are encoded by two to six synonymous codons. This degeneracy and the biased usage of synonymous codons cause alterations that can span from protein folding to enhanced translation efficiency of a select gene group. In this work, we focused on cancer and performed a meta-analysis study to compare microarray gene expression profiles, reported by previous studies and evaluate the codon usage of different types of cancer where tRNA modifying enzymes were found de-regulated. A total of 36 different tRNA modifying enzymes were found de-regulated in most cancer datasets analyzed. The codon usage analysis revealed a preference for codons ending in AU for the up-regulated genes, while the down-regulated genes show a preference for GC ending codons. Furthermore, a PCA biplot analysis showed this same tendency. We also analyzed the codon usage of the datasets where the CTU2 tRNA modifying enzyme was found deregulated as this enzyme affects the wobble position (position 34) of specific tRNAs. Our data points to a distinct codon usage pattern between up and downregulated genes in cancer, which might be caused by the deregulation of specific tRNA modifying enzymes. This codon usage bias may augment the transcription and translation efficiency of some genes that otherwise, in a normal situation, would be translated less efficiently.

Estudos recentes indicam que as modificações de tRNAs e as enzimas modificadoras de tRNAs desempenham papéis importantes em doenças Humanas complexas como são exemplos: cancro, doenças neurológicas e mitocondriais. Conjecturamos que a desregulação na expressão das enzimas modificadoras de tRNAs afecta o nível de modificações dos tRNAs e, consequentemente, as suas funções e eficiência de tradução dos codões correspondentes aos tRNAs que afectam. Devido à degeneração do código genético, a maior parte dos aminoácidos são codificados por dois a seis codões sinónimos. Esta degeneração e o uso tendencioso de codões sinónimos causam alterações que podem ir desde problemas de enovelamento proteico a um aumento de eficiência de tradução de um grupo de genes específico. Neste trabalho, focámo-nos no cancro e fizemos um estudo de metaanálise para comparar perfis de expressão génica de microarrays, onde foram encontradas enzimas modificadoras de tRNA desreguladas e analisar o codon usage dos diferentes tipos de cancro nestes dados, reportados em estudos anteriores. Encontrámos um total de 36 diferentes enzimas modificadoras de tRNAs que se encontram desreguladas na maior parte das datasets de cancro analisadas. A análise de codon usage revelou uma preferência, por parte dos genes sobre-expressos, por codões acabados em AU e uma preferência por codões acabados em GC, em genes sub-expressos. Uma subsequente análise de PCA biplot veio mostrar esta mesma tendência. Analisámos também o codon usage de datasets onde a enzima modificadora de tRNA CTU2 se encontrava desregulada uma vez que esta enzima afecta a posição “wobble” (posição 34) de tRNAs específicos. Os nossos dados apontam para um padrão de codon usage distinto entre genes sobre-expressos e sub-expressos em cancro, que pode ser causado pela desregulação de enzimas modificadores de tRNA específicas. Esta tendência de codon usage pode aumentar a transcrição e eficiência de tradução de alguns genes que, de outra forma, numa situação normal, seriam traduzidos de forma menos eficiente.