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Title: The role of environmental stress on protein synthesis fidelity
Other Titles: O efeito do stress ambiental na fidelidade da síntese de proteínas
Author: Gomes, Ana Cristina Esteves Oliveira
Advisor: Santos, Manuel António da Silva
Keywords: Bioquímica
Código genético
Stresse oxidativo
Tradução genética
Proteomas
Ácido ribonucleico
Proteínas - Síntese
Defense Date: 12-Jul-2012
Publisher: Universidade de Aveiro
Abstract: Estudos recentes estabelecem uma ligação entre erros na tradução do mRNA e cancro, envelhecimento e neurodegeneração. RNAs de transferência mutantes que introduzem aminoácidos em locais errados nas proteínas aumentam a produção de espécies reactivas de oxigénio e a expressão de genes que regulam autofagia, ribofagia, degradação de proteínas não-funcionais e protecção contra o stress oxidativo. Erros na tradução do mRNA estão portanto relacionados com stress proteotóxico. Sabe-se agora que o mecanismo de toxicidade do crómio está associado à diminuição da fidelidade de tradução e à agregação de proteínas com malformações que destabilizam a sua estrutura terciária. Desta forma, é possível que os efeitos do stress ambiental ao nível da degeneração celular possam estar relacionados com a alteração da integridade da maquinaria da tradução. Neste estudo procedeu-se a uma avaliação alargada do impacto do stress ambiental na fidelidade da síntese de proteínas, utilizando S. cerevisiae como um sistema modelo. Para isso recorreu-se a repórteres policistrónicos de luciferase que permitiram quantificar especificamente a supressão de codões de terminação e o erro na leitura do codão AUG em células exposta a concentações não letais de metais pesados, etanol, cafeína e H2O2. Os resultados sugerem que a maquinaria de tradução é na generalidade muito resistente ao stress ambiental, devido a uma conjugação de mecanismos de homeostase que muito eficientemente antagonizam o impacto negativo dos erros de tradução. A nossa abordagem quantitativa permitiu-nos a identificar genes regulados por uma resposta programada ao stress ambiental que são também essenciais para mitigar a ocorrência de erros de tradução, nomeadamente, HSP12, HSP104 e RPN4. A exposição prolongada ao stress ambiental conduz à saturação dos mecanismos de homeostase, contribuindo para a acumulação de proteínas contendo erros de tradução e diminuindo a disponibilidade de proteínas funcionais directamente envolvidas na manutenção da fidelidade de tradução e integridade celular. Ao contrário de outras Hsps, a Hsp12p adopta normalmente uma localização membranar em condições de stress, que pode modular a fluidez e estabilidade membranar, sugerindo que a membrana plasmática é um alvo preferencial da perda de fidelidade da tradução. Para melhor compreender as respostas celulares aos erros de tradução, células contendo deleções em genes codificadores das Hsps foram transformadas com tRNAs mutantes que introduzem alterações no proteoma. Os nossos resultados demonstram que para além da resposta geral ao stress, estes tRNAs induzem alterações a nível do metabolismo celular e um aumento de aminoacilação com Metionina em vários tRNAs, sugerindo um mecanismo de protecção contra espécies reactivas de oxigénio. Em conclusão, este estudo sugere um papel para os erros de tradução na gestão de recursos energéticos e na adaptação das células a ambientes desfavoráveis.
Recent studies link mRNA mistranslation to cancer, neurodegeneration, aging and metabolic imbalances. It was shown previously that mutant tRNAs that mutagenise the proteome via mRNA misreading increase production of reactive oxygen species and up-regulate the expression of oxidative stress, autophagy and ribophagy genes, indicating that mistranslation is an important cause of proteotoxic stress. Interestingly, chromium toxicity is linked to increased mistranslation and protein aggregation suggesting that environmental stressors may cause cell degeneration and human disease through deregulation of protein synthesis fidelity. In this study, we investigate the impact of environmental on the fidelity of protein synthesis using S.cerevisiae as a model system. We used a dual luciferase reporter to quantify both AUG misreading and stop codon readthrough in cells exposed to sub-lethal concentrations of heavy metals, ethanol, caffeine and hydrogen peroxide. Our results suggest that the translational machinery is in general very resistant to environmental stress, due to a conjugation of homeostasis mechanisms that effectively antagonize the negative impact of protein synthesis errors to a level tolerated by cells. Additionally, our quantitative approach allowed us to identify genes under the control of the environmental stress response (ESR) that are essential to cope with induced amino acid misincorporation, namely HSP12, HSP104 and RPN4. Prolonged stress exposure drives saturation of protein homeostasis mechanisms, which contributes to accumulation of mistranslated protein into the cytoplasm and thereby decreases the availability of functional proteins directly involved in translational fidelity and cellular integrity. Unlike all other Hsps, Hsp12p associates with the plasma membrane under stress, which may help modulate membrane fluidity and stability, suggesting that protein synthesis errors target membrane components. To further understand the cellular responses to mistranslation and proteotoxic stress, cells harboring deletions in genes coding for small heat-shock proteins were transformed with a misreading tRNA. The data showed that besides a wide response to stress, constitutive mistranslation also promoted a shift in cellular metabolism. Finally, cells expressing misreading tRNAs show increased Met-misacylation, suggesting that methionine misincorporation into proteins protects against ROS. This study strongly supports a role for mistranslation in energy management and cell adaptation to suboptimal environmental conditions.
Description: Doutoramento em Bioquímica
URI: http://hdl.handle.net/10773/9534
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DBio - Teses de doutoramento

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