Molecular study of a genetic code alteration in C. albicans

Abstract

A maioria dos organismos utiliza o mesmo código genético, no entanto alterações a este código padrão foram descobertas em procariotas e eucariotas. A maior parte das alterações ao código genético ocorre em mitocôndrias. No citoplasma eucariótico, o único exemplo conhecido de alteração ao código genético envolvendo a substituição de um aminoácido por outro aminoácido, ocorre em várias espécies do género Candida. Em Candida albicans o codão CUG é ambíguo, ou seja, pode ser traduzido como serina ou leucina, com predominância para o primeiro aminoácido. Na origem desta ambiguidade está um tRNACAG Ser de C. albicans que possui elementos de identidade para duas aminoacil-tRNA sintetases, nomeadamente a seril e leucil-tRNA sintetases, podendo, por isso, ser aminoacilado com serina e leucina. Este tRNA surgiu há cerca de 272 milhões de anos no antepassado das leveduras e introduziu dupla identidade (ambiguidade) no codão CUG que começou a ser descodificado como leucina e serina. As consequências biológicas desta ambiguidade e da alteração de identidade do codão CUG de leucina para serina são desconhecidas. O objectivo deste estudo foi elucidar a função biológica da ambiguidade do codão CUG que foi preservada em C. albicans. Pretendeu-se compreender porque é que a ambiguidade do codão CUG foi preservada e conhecer melhor os mecanismos de evolução ao código genético. Para tal, aumentou-se a ambiguidade do codão CUG, usando engenharia de tRNAs e estudaram-se as consequências de tal ambiguidade ao nível fenotípico. Os resultados demonstram de forma inequívoca que a ambiguidade do codão CUG é um gerador de diversidade fenotípica e sugerem que uma das funções da alteração ao código genético é potenciarem a evolução rápida de novos fenótipos. A ambiguidade do codão CUG induz a expressão de vários factores de virulência de C. albicans, nomeadamente variabilidade morfológica, alteração fenotípica, produção de hidrolases extracelulares e adesinas. Assim, a ambiguidade do código genético é fundamental para a biologia de C. albicans.

Most organisms use the same genetic code, however several alterations to the standard code have been found in prokaryotes and eukaryotes. Most alterations occur in mitochondria and the only known case of a cytoplasmatic sense-to-sense codon identity change occurs in several species of the genus Candida. In Candida albicans, standard leucine-CUG codon is decoded mainly as serine but to a lesser extent as leucine. This is due the existence of a novel tRNACAG Ser that has identity elements for both the seryl- and the leucyl-tRNA aminoacyl synthetases and hence can be aminoacylated with serine and leucine. The tRNACAG Ser appeared 272 million years ago in the yeast ancestor, and created a CUG codon with double identity due to its decoding as both serine and leucine. The biological function of such ambiguity, which was preserved to the present day, is still unknown. The objective of this study was to elucidate the role of CUG ambiguity in C. albicans biology. An attempt was made to shed new light i) on the biological role of genetic code ambiguity, ii) on why CUG ambiguity was preserved and iii) on why genetic code alterations evolve. For this, highly ambiguous C. albicans strains were created through tRNA engineering techniques and the effects of such ambiguity were studied at phenotypic level. The data presented herein shows for the first time that genetic code ambiguity is a generator of phenotypic diversity and strongly suggests that genetic code alterations speed up evolution of new phenotypes. Ambiguous decoding of the CUG codon triggers expression of C. albicans virulence factors, namely morphogenesis, phenotypic switching, extracellular hydrolases production and adhesion, indicating that it plays a critical role on C. albicans biology.