Molecular reconstruction of a genetic code alteration

Abstract

Várias espécies de Candida traduzem o codão CUG de leucina como serina. Esta alteração ao código genético é mediada por um novo tRNA (sertRNACAG), que pode ser carregado com serina (97 %) e leucina (3 %) in vivo. Por esta razão o codão CUG é ambíguo, pois pode ser descodificado como serina ou leucina. Para elucidar o impacto da ambiguidade do código genético na expressão génica e na fisiologia da célula, o ser-tRNACAG de C. albicans foi expresso em Saccharomyces cerevisiae. Isto induz a descodificação ambígua do codão CUG, devido à competição entre o tRNA endógeno que traduz o codão CUG como leucina e o C. albicans ser-tRNACAG, que o traduz maioritariamente como serina. A caracterização do transcriptoma e do proteoma das linhas celulares manipuladas de S. cerevisiae mostra que a ambiguidade do código genético induz alterações globais na expressão de genes e proteínas, com alterações na resposta ao stress, metabolismo dos hidratos de carbono e dos aminoácidos, estrutura e função da parede celular, síntese e degradação de proteínas. Adicionalmente, os resultados indicam que a tradução errada do codão CUG regula a expressão génica ao nível da tradução. A ambiguidade do codão CUG gera instabilidade do proteoma e genoma, contudo, estas células não perdem viabilidade. Pelo contrário, os dados sugerem que a resposta ao stress despoletada pela ambiguidade do codão CUG aumenta o potencial de adaptação, como é demonstrado pela tolerância que as células ambíguas têm a várias condições de stress. Por estas razões, a reconstrução da alteração na descodificação do codão CUG providenciou dados importantes sobre o impacto que alterações ao código genético têm na adaptação e evolução das células. Este estudo também trouxe novas ideias acerca dos mecanismos que permitem a tolerância das células eucarióticas a elevados níveis de erro na tradução do mRNA.

Several Candida species translate the standard leucine CUG codon as serine. This genetic code alteration is mediated by a novel tRNA (ser-tRNACAG), which can be charged both with serine (97 %) and leucine (3%) in vivo. Therefore, the CUG codon is ambiguous, since it can be decoded either as serine or leucine. To elucidate the impact of genetic code ambiguity on gene expression and cell physiology, the C. albicans ser-tRNACAG was expressed in Saccharomyces cerevisiae. This induces ambiguous decoding of the CUG codon, due to competition between the endogenous tRNA that decodes the CUG codon as leucine and the C. albicans ser-tRNACAG, which decodes it mainly as serine. Transcriptome and proteome characterization of the engineered S. cerevisiae cell lines show that genetic code ambiguity induces global gene and protein expression changes, with alterations in the stress response, carbohydrate and amino acid metabolism, cell wall structure and function, protein synthesis and protein degradation. Additionally, the results indicate that CUG mistranslation regulates gene expression at the translational level. CUG ambiguity generates proteome and genome instability, however, these cells do not lose viability. Instead, the data suggests that the stress response triggered by CUG ambiguity increases adaptation potential, as shown by the tolerance of ambiguous cells to several stress conditions. Therefore, the reconstruction of the CUG reassignment pathway provided important insight on the impact that genetic code alterations have on cell adaptation and evolution. This study also sheds new light on the mechanisms that allow eukaryotic cells to tolerate high levels of mRNA mistranslation.