Phenotypic consequences of genome mistranslation in Candida albicans

Abstract

Várias espécies do género Candida traduzem o codão CUG de leucine como serina. Em C. albicans este codão é traduzido pelo tRNACAG Ser de serina que é reconhecido por leucil- e seril-tRNA sintetases (LeuRS e SerRS), permitindo a incorporação de leucina ou serina em posições com CUG. Em condições padrão de crescimento os codões CUG é incorporam 3% de leucina e 97% de serina, no entanto estes valores são flexíveis uma vez que a incorporação de serina pode variar entre 0.6% e 5% em resposta a condições de stress. Estudos anteriores realizados in vivo em Escherichia coli sugeriram que a ambiguidade em codões CUG é regulada pela SerRS. De facto, o gene da SerRS de C. albicans tem um codão CUG na posição 197 (Ser197) cuja descodificação ambígua resulta na produção de duas isoformas de SerRS. A isoforma SerRS_Leu197 é mais ativa, apesar de menos estável, que a isoforma SerRS_Ser197, suportando a ideia da existência de um feedback loop negativo, envolvendo estas duas isoformas de SerRS, a enzima LeuRS e o tRNACAG Ser, que mantem os níveis de incorporação de leucina no codões CUG baixos. Nesta tese demonstramos que tal mecanismo não é operacional nas células de C. albicans. De facto, os níveis de incorporação de leucina em codões CUG flutuam drasticamente em resposta a alterações ambientais. Por exemplo, a incorporação de leucina pode chegar a níveis de 49.33% na presença de macrófagos e anfotericina B, mostrando a notória tolerância de C. albicans à ambiguidade. Para compreender a relevância biológica da ambiguidade do código genético em C. albicans construímos estirpes que incorporam serina em vários codões. Apesar da taxa crescimento ter sido negativamente afetada em condições padrão de crescimento, as estirpes construídas crescem favoravelmente em várias condições de stresse, sugerindo que a ambiguidade desempenha um papel importante na adaptação a novos nichos ecológicos. O transcriptoma das estirpes construídas de C. albicans e Saccharomyces. cerevisiae mostram que as leveduras respondem à ambiguidade dos codões de modo distinto. A ambiguidade induziu uma desregulação moderada da expressão génica de C. albicans, mas ativou uma resposta comum ao stresse em S. cerevisiae. O único processo celular que foi induzido na maioria das estirpes foi a oxidação redução. De salientar, que enriquecimento em elementos cis de fatores de transcrição que regulam a resposta à ambiguidade em ambas as leveduras foi distinta, sugerindo que ambas respondem ao stresse de modo diferente. Na globalidade, o nosso estudo aprofunda o conhecimento da elevada tolerância à ambiguidade de codões em C. albicans. Os resultados sugerem que este fungo usa a ambiguidade do codão CUG durante infeção, possivelmente para modular a sua interação com o hospedeiro e a resposta a drogas antifúngicas.

Several Candida species are characterized by the reassignment of the leucine CUG codon to serine. In C. albicans this codon is translated by a serine (tRNACAG Ser) that is recognized by both the leucyl - and the seryl-tRNA synthetases (LeuRS and SerRS), allowing for incorporation of leucine and serine at CUG positions. Under standard growth conditions 3% of leucine and 97% of serine are incorporated at CUGs, but these values are flexible as leucine misincorporation fluctuates between 0.6% and 5% in response to stress conditions. Previous in vivo studies carried out in the heterologous host Escherichia coli suggested that CUG ambiguity is regulated by the SerRS. Indeed, the C. albicans SerRS gene has one CUG codon at position 197 (Ser197) whose ambiguous decoding results in the production of two SerRS isoforms. The SerRS_Leu197 isoform is more active, although less stable, than the SerRs_Ser197 isoform, supporting the existence of a negative feedback loop involving these two isoforms of the SerRS, the LeuRS enzyme and the tRNACAG Ser that maintain low levels of leucine incorporation at CUG codons. We show in this thesis that such mechanism is not operational in C. albicans cells. Indeed, the in vivo levels of Leucine incorporation at CUGs fluctuate rather dramatically in response to environmental cues. For example, Leucine incorporation is as high as 49.33% in presence of macrophages and amphotericin B, showing remarkable tolerance of C. albicans to CUG ambiguity. To understand the biological relevance of genetic code ambiguity in C. albicans we have engineered strains that misincorporate Serine at various noncognate codons. Although growth rate was negatively affected in normal growth conditions, the engineered cells displayed growth advantages in several stress conditions, suggesting that ambiguity plays an important role in adaptation to new ecological niches. Transcriptome profiling of engineered C. albicans and Saccharomyces cerevisiae strains showed that both yeasts respond to codon ambiguity in remarkably different ways. Codon ambiguity induced mild gene expression deregulation in C. albicans, but activated a general common stress response in S. cerevisiae. The only cellular process that was induced in almost all strains was oxidation reduction. More importantly, the transcription factors that regulate the response to codon ambiguity in both yeasts were distinct, suggesting that both yeasts respond to stress in fundamentally different ways. The overall study provides deep insight on the very high level of tolerance to codon ambiguity of the main human pathogen C. albicans. The data strongly suggest that this fungus uses CUG ambiguity during infection, likely to modulate host-pathogen and antifungal drug responses.