why have organelles retained genomes? race hl, herrman rg and martin w. trends genet. 1999. vol...

Why have organelles retained genomes?Race HL, Herrman RG and Martin W. Trends Genet. 1999. Vol 15(9):464-470.

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Does the mitochondrial transcription-termination complex play an essential role in controlling differential transcription of mitochondrial DNA?

Selwood SP, Chrzanowska-Lightowlers ZM and Lightowlers RN.Biochemical Society Transactions. 2000. Vol 28(2):154-9.

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Messenger RNA stability in mitochondria: different means to an end.Gagliardi D, Stepien PP, Temperley RJ, Lightowlers RN, Chrzanowska-

Lightowlers ZM.Trends Genet. 2004 Jun;20(6):260-7.

- Mitocôndrias: quem são?

- Genoma próprio: por quê?

- Transcrição gênica mitocondrial: um caso a parte.

INTRODUÇÃO

Eubactérias de vida livre (genoma completo)

Plastídeos e mitocôndrias (genoma reduzido)

Cianobactéria - cloroplasto proteobactéria - mitocôndria

Why have organelles retained genomes?Race HL, Herrman RG and Martin W.

O que aconteceu com os genes do genoma original?

Por que sobraram alguns genes nas organelas?

Allen e col. (1993): qual a pressão seletiva?

- As cadeias transportadoras de elétrons são extremamente perigosas quando ocasionais (e inevitáveis) curto-circuitos ocorrem.

- Assim, a célula precisa responder imediatamente à foto-oxidação (plastídeos) e acúmulo de espécies reativas de oxigênio (mitocôndria) para manter estado redox.

- Ex: hidrogenossomos.


Se for assim, devem ser verdadeiras as seguintes premissas:

(1) o genoma deve codificar proteínas estruturais envolvidas no transporte de elétrons, bem como maquinário ribossomal para sua síntese;

(2) os genes devem ser regulados transcricionalmente pelo estado redox;

(3) sistemas sensores do estado redox devem ter existido nos organismos ancestrais e mantidos nas eubactérias e organelas atuais.


No entanto, a composição e organização do genoma mitocondrial é muito divergente entre os diversos organismos!


Saccharomyces cerevisiae

Mitochondrial genomesYeast

Arabidopsis thaliana

Mitochondrial GenomesPlants

Homo sapiens

Mitochondrial GenomesHumans

Regulação da expressão e replicação mitocondrial:

- A atividade mitocondrial, bem como o número de cópias do mt-DNA, estão normalmente relacionados à demanda energética da célula.

- mecanismos moleculares que regulam a proliferação mitocondrial: estímulo, indução de fatores de transcrição, aumento da expressão de genes mitocondriais e nucleares, proliferação!

Does the mitochondrial transcription-termination complex play na essential role?Selwood SP, Chrzanowska-Lightowlers ZM and Lightowlers RN.

Principais fatores de transcrição:

- NRF-1 (nuclear respiratory factor 1), regula ~ 50 genes que codificam proteínas da cadeia respiratória, bem como genes envolvidos na montagem dos complexos respiratórios, maquinário de replicação e transcrição, etc.

- TFAM (mitochondrial transcription factor-A), sua atividade aparentemente está relacionada aos níveis de transcrição, abundância e estabilidade do mtDNA;

- mtTFB (mitochondrial transcription factor B), está aparentemente relacionada a ativação da transcrição propriamente dita, uma vez que tem sítio de ligação a RNA polimerase e TFAM.



Transcrição mitocondrial:

- Potencial controle transcricional através de mTERF:

- ADP/ATP ratio poderia causar a dissociação de um componente do complexo mTERF, portanto os transcritos normalmente terminados em 16S continuariam sendo produzidos ao longo do genoma mitocondrial.

Regulação pós-transcricional?

- principal controle pós-transcricional: turnover dos RNAs.

- poliadenilação da extremidade 3’ aumenta a estabilidade do mRNA no citosol de eucariotos, MAS sinaliza sua rápida degradação em procariotos!!

- Como é a regulação do turnover de RNA em mitocôndrias, uma vez que sua origem é procariótica?

Messenger RNA stability in mitochondria: different means to an end.Gagliardi D, Stepien PP, Temperley RJ, Chrzanowska-Lightowlers

ZM.

LEVEDURAS

- Transcrição regulada por 13 promotores, gerando grandes RNA policistrônicos que são clivados e processados nas extremidades 3’e 5’.

- 2 rRNAs + 25 tRNAs + 7 proteínas da cadeia respiratória + 1 proteína ribossomal

- Genoma possui regiões intrônicas, sendo que alguns íntrons podem se auto-propagar (maturases e endonucleases).

- Proteínas reconhecem dodecâmero conservado na extremidade 3’ (5’-AAUAA(U/C)AUUCUU-3’) de todos os mRNAs.


ZM.

PLANTAS

- Transcrição regulada por múltiplos promotores distribuídos em ambas as fitas do genoma, gerando mRNAs mono- ou policistrônicos.

- Muitos co-transcritos que podem ou não ser processados em mRNAs individuais

- 50-60 genes codificam 3 rRNAs, 20 tRNAs e diversas proteínas relacionadas ao complexo respiratório, montagem dos citocromos e proteínas ribossomais.

- Todos os tRNAs sofrem modificação de bases e adição de CCA na extremidade 3’.

- Transcritos NÃO são constitutivamente poliadenilados!


ZM.

HUMANOS

Splicing: não ocorre íntrons no genoma mitocondrial em humanos.


ZM.

Processamento: todos os mRNAs codificados pela FITA H são poliadenilados (50-60 resíduos) na extremidade 3’.

Caudas poli(A) curtas em rRNAs e adição de CCA nos tRNAs.

Extremidade 5’ dos mt-mRNAs possuem um monofosfato e são uncapped.

3’UTRs raros: maioria dos mRNAS não tem regiões não traduzidas entre códon de terminação e cauda poli(A). Se ocorre, < 10 resíduos.

FUNÇÃO DA POLIADENILAÇÃO EM HUMANOS: além de resgatar o STOP códon, confere estabilidade ao mRNA.

Estudo de caso: microdeleção de 2 bases entre atp6 e cox3.

O RNA bicistrônico gerado a partir dos genes sobrepostos atp8 e atp6 perdeu a uridina 3’ que geraria o STOP códon após a poliadenilação.

O processamento e a poliadenilação ocorreram normalmente, mas o mRNA resultante era degradado rapidamente através da de-adenilação da cauda poli(A).


ZM.

FUNÇÃO DA POLIADENILAÇÃO EM PLANTAS: os mRNAS não são constitutivamente poliadenilados.

Ensaios in vivo e in vitro têm demonstrado que a poliadenilação desencadeia a degradação dos RNAs.

Repetidos ciclos de poliadenilação e remoção da cauda poli(A) e mais alguns nucleotídeos adjacentes parecem ser necessários para desestabilizar a estrutura secundária presente na extremidade 3’ de muitos transcritos de plantas.

5’ 3’


ZM.

Estudo de caso: na mitocôndria de girassol, o fenômeno da esterilidade do macho (CMS – cytoplasmic male sterility), fenotipicamente caracterizado pela incapacidade de produzir pólen, se deve à expressão aberrante de um gene recém-descrito orf522. O gene nuclear capaz de suprimir este fenótipo causa, direta ou indiretamente, o aumento da poliadenilação dos transcritos de orf522.

Ou seja, o aumento da cauda poli(A) leva a uma desestabilização do transcrito.


ZM.

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FUNÇÃO DA POLIADENILAÇÃO EM LEVEDURAS: aparentemente, a poliadenilação não está envolvida nem na maturação nem na estabilidade dos RNAs mitocondriais em leveduras.

mRNAs maduros possuem um dodecâmero na UTR 3’:

5’-AAUAA(U/C)AUUCUU-3’

Um dodecâmero intacto parece ser crucial para a estabilidade e tradutibilidade do mRNA.

Foi relatada uma proteína com afinidade pelo dodecâmero, mas sua função e gene que a codifica são desconhecidos.


ZM.

CONCLUSÕES:

Praticamente todos os mRNAs provenientes do núcleo possuem caudas poli(A) 3’, que variam de 70-99 nucleotídeos (leveduras) a 200-300 nucleotídeos (mamíferos).

EUCARIOTOS: estabilidade e tradução dos mRNAs.

PROCARIOTOS: decaimento das moléculas de RNA.

Estas funções permanecem essencialmente as mesmas nas mitocôndrias destes organismos, com exceção das leveduras e plantas superiores.

COMO EXPLICAR ESTE PARADOXO?


ZM.

Possível explicação: recrutamento de proteínas com funções distintas.

Modelo: mRNAs nucleares são estabilizados apenas quando contém longas caudas poli(A) este comprimento permite o acoplamento de proteínas estabilizadoras, as PABPs (poli(A) binding proteins).

O encurtamento da cauda deve impedir a ligação dessas proteínas a cauda fica exposta à atividade de exonucleases 3’-5’.


ZM.

Evidências:

(1) Em A. thaliana, a exonuclease AtRrp41p requer uma cauda poli(A) como substrato.

(2) A mitocôndria de Trypanosoma brucei possui uma exonuclease 3’-5’ associada a membrana que é ativada em seu máximo por caudas poli(A) curtas, de 20 nucleotídeos.

(3) Em mitocôndria de plantas não foram identificadas proteínas estabilizadoras que se ligam à cauda poli(A).

(4) Na mitocôndria de leveduras, aparentemente a função estabilizadora da cauda poli(A) foi substituída pela presença do dodecâmero.


ZM.

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