Regucalcin evolution and gene function

Abstract

The ability to synthetize ascorbic acid has been lost multiple times in animals always due to mutations in the terminal gene (GULO) of the Vitamin C synthesis pathway. This suggests that the other genes of the pathway perform other essential functions besides participating in the synthesis of Vitamin C. The study of Regucalcin (gene involved in the penultimate step of the pathway) in lineages where GULO has been lost long time ago can give insight into the biological role of this gene besides its usual involvement in the Vitamin C pathway. In humans, changes in Regucalcin gene expression have been involved in obesity, diabetes and cancer. In Drosophila melanogaster, besides Regucalcin, there is also a paralog (Dca) that shows signs of positive selection at the protein level, that is greatly overexpressed when flies are cold-acclimated and shows expression levels that are correlated with latitude. In order to understand the multiple roles played by Regucalcin and its paralogs, in this project, a combination of evolutionary and functional analyses was used. The evolutionary analysis, where all annotated animal genomes were used, showed that the Regucalcin gene is not present in all animals, that it is often duplicated in Protostomes (suggesting subfunctionalization), but not in Deuterostomes and that it was lost multiple times independently. An evolutionary correlation between the presence/loss of the Regucalcin/GULO/SVCT genes in the animal kingdom is also observable. In D. melanogaster, using RNAi strains, it was demonstrated that Regucalcin and Dca are essential genes. And lastly, a bioinformatics analysis revealed positively selected amino acid sites at the Regucalcin protein lid, but also at the new putative interaction domain.

A capacidade de síntese de ácido ascórbico tem sido perdida várias vezes em animais, sempre associada a mutações no gene terminal (GULO) da via de sintese de Vitamina C. Isto sugere que, outros genes da via de sinalização terão outras funções essenciais, para além da participação na síntese de Vitamin C. O estudo da Regucalcina (gene que está involvido no penúltimo passo da via de sinalização) em linhagens onde a GULO foi perdida há bastante tempo podem dar pequenas pistas para o papel biológico deste gene, para além do seu conhecido involvimento na via da síntese de Vitamina C. Em humanos, alterações na expressão do gene da Regucalcina estão associadas a casos de obesidade, diabetes e cancro. Em Drosophila melanogaster, para além da Regucalcina, existe também um parálogo (Dca) que apresenta sinais de seleção positiva ao nível da proteina, é bastante sobreexpresso quando as moscas são aclimatizadas ao frio e apresenta níveis de expressão que estão correlacionados com a latitude. Para se entender os múltiplos papéis da Regucalcina e dos seus parálogos, neste projeto, foi usada uma combinação de análises evolutivas e funcionais. Na análise evolutiva, onde todos os genomas animais anotados foram usados, mostrou-se que a Regucalcina não está presente em todos os animais, que está a ser frequentemente duplicada em Protostómios (sugerindo subfuncionalização), mas não em Deuterostómios e que foi perdida várias vezes de forma independente. Uma relação evolutiva entre a presença/perda dos genes da Regucalcina/GULO/SVCT é também observável. Em D. melanogaster, através de estirpes de RNAi, foi demonstrado que os genes da Regucalcin e do Dca são essenciais. Por fim, uma análise bioinformática, revelou sítios de amino ácidos positivamente selecionados na tampa da proteína da Regucalcina, mas também no novo inferido domínio de interação.