mRNA mistranslation in Saccharomyces cerevisiae

Abstract

The genetic code is defined as a series of biochemical reactions that establish the cellular rules that translate DNA into protein information. It was established more than 3.5 billion years ago and it is one of the most conserved features of life. Over the years, several alterations to the standard genetic code and codon ambiguities have been discovered in both prokaryotes and eukaryotes, suggesting that the genetic code is flexible. However, the molecular mechanisms of evolution of the standard genetic code and the cellular role(s) of codon ambiguity are not understood. In this thesis we have engineered codon ambiguity in the eukaryotic model Sacharomyces cerevisiae to clarify its cellular consequences. As expected, such ambiguity had a strong negative impact on growth rate, viability and protein aggregation, indicating that it affects fitness negatively. However, it also created important selective advantages in certain environmental conditions, suggesting that it has the capacity to increase adaptation potential under environmental variable conditions. The overall negative impact of genetic code ambiguity on protein aggregation and cell viability, suggest that codon ambiguity may have catastrophic consequences in multicellular organisms. In particular in tissues with low cell turnover rate, namely in the brain. This hypothesis is supported by the recent discovery of a mutation in the mouse alanyl-tRNA synthetase which creates ambiguity at alanine codons and results in rapid loss of Purking neurons, neurodegeneration and premature death. Therefore, genetic code ambiguity can have both, negative or positive outcomes, depending on cell type and environmental conditions.

O código genético pode ser definido como uma série de reacções bioquímicas que estabelecem as regras pelas quais as sequências nucleotídicas do material genético são traduzidas em proteínas. Apresenta um elevado grau de conservação e estima-se que tenha tido a sua origem há mais de 3.5 mil milhões de anos. Ao longo dos últimos anos foram identificadas várias alterações ao código genético em procariotas e eucariotas e foram identificados codões ambíguos, sugerindo que o código genético é flexível. Contudo, os mecanismos de evolução das alterações ao código genético são mal conhecidos e a função da ambiguidade de codões é totalmente desconhecida. Nesta tese criámos codões ambíguos no organismo modelo Saccharomyces cerevisiae e estudámos os fenótipos resultantes de tal ambiguidade. Os resultados mostram que, tal como seria expectável, a ambiguidade do código genético afecta negativamente o crescimento, viabilidade celular e induz a produção de agregados proteicos em S. cerevisiae. Contudo, tal ambiguidade também resultou em variabilidade fenótipica, sendo alguns dos fenótipos vantajosos em determinados condições ambientais. Ou seja, os nossos dados mostram que a ambiguidade do código genético afecta negativamente a capacidade competitiva de S. cerevisiae em meio rico em nutrientes, mas aumenta a sua capacidade adaptativa em condições ambientais variáveis. Os efeitos negativos da ambiguidade do código genético, nomeadamente a agregação de proteínas, sugerem que tal ambiguidade poderá ser catastrófica em organismos multicelulares em que a taxa de renovação celular é baixa. Esta hipótese é suportada pela recente descoberta de uma mutação na alaniltRNA sintetase do ratinho que induz ambiguidade em codões de alanina e resulta numa forte perda de neurónios de Purkinge, neurodegeneração e morte prematura. Ou seja, a ambiguidade do código genético pode ter consequências negativas ou positivas dependendo do tipo de células e das condições ambientais.