Molecular genomics of a genetic code alteration

Abstract

The genetic code is not universal. Alterations to its standard form have been discovered in both prokaryotes and eukaryotes and demolished the dogma of an immutable code. For instance, several Candida species translate the standard leucine CUG codon as serine. In the case of the human pathogen Candida albicans, a serine tRNA (tRNACAGSer) incorporates in vivo 97% of serine and 3% of leucine in proteins at CUG sites. Such ambiguity is flexible and the level of leucine incorporation increases significantly in response to environmental stress. To elucidate the function of such ambiguity and clarify whether the identity of the CUG codon could be reverted from serine back to leucine, we have developed a forced evolution strategy to increase leucine incorporation at CUGs and a fluorescent reporter system to monitor such incorporation in vivo. Leucine misincorporation increased from 3% up to nearly 100%, reverting CUG identity from serine back to leucine. Growth assays showed that increasing leucine incorporation produced impressive arrays of phenotypes of high adaptive potential. In particular, strains with high levels of leucine misincorporation exhibited novel phenotypes and high level of tolerance to antifungals. Whole genome re-sequencing revealed that increasing levels of leucine incorporation were associated with accumulation of single nucleotide polymorphisms (SNPs) and loss of heterozygozity (LOH) in the higher misincorporating strains. SNPs accumulated preferentially in genes involved in cell adhesion, filamentous growth and biofilm formation, indicating that C. albicans uses its natural CUG ambiguity to increase genetic diversity in pathogenesis and drug resistance related processes. The overall data provided evidence for unantecipated flexibility of the C. albicans genetic code and highlighted new roles of codon ambiguity on the evolution of genetic and phenotypic diversity.

O código genético não é universal. Alterações à identidade de vários codões descobertas em procariotas e eucariotas invalidam a hipótese dum código genético universal e imutável. Por exemplo, várias espécies do género Candida traduzem o codão CUG de leucina como serina. Em Candida albicans, um único tRNA de serina (tRNACAGSer) incorpora in vivo 97% de serina e 3% de leucina nas proteínas em resposta a codões CUG presentes nos mRNAs deste fungo patogénico. Esta ambiguidade é flexível e a incorporação de leucina aumenta em condições de stress. De forma a elucidar a função desta ambiguidade e determinar se a identidade dos codões CUG podia ser revertida de serina para leucina, desenvolvemos uma estratégia de evolução forçada e uma proteína recombinante fluorescente cuja actividade depende da incorporação de leucina num codão CUG. Construímos estirpes que incorporam leucina nas proteínas em resposta a codões CUGs em níveis que variam entre 0,64% e 98,46%. Esta reversão de uma alteração ao código genético demostrou de modo inequívoco que o código é flexível e pode evoluir. Testes de crescimento em diferentes meios de cultivo revelaram uma série impressionante de fenótipos com elevado potencial adaptativo nas estirpes mais ambíguas, nomeadamente tolerância a antifúngicos. A sequenciação dos genomas das estirpes que construímos revelou que a ambiguidade do codão CUG resulta na acumulação de polimorfismos de nucleótido únicos (SNP) no genoma. Verificámos também perda de heterozigozidade (LOH) nos cromossomas 5 e R das estirpes que incorporam 80,84% e 98,46% de leucina em locais proteicos codificados por codões CUG. Os SNPs acumularam-se preferencialmente em genes envolvidos na adesão celular, no crescimento filamentoso e na formação de biofilmes, sugerindo que C. albicans utiliza a sua ambiguidade natural para aumentar a diversidade genética dos processos relacionados com a patogénese e resistência a drogas. Estes resultados evidenciam uma notável flexibilidade do código genético de C. albicans e revelam funções inesperadas da ambiguidade do código genético na evolução da diversidade genética e fenotípica.