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

Apresentação em tema: "Why have organelles retained genomes? Race HL, Herrman RG and Martin W. Trends Genet. 1999. Vol 15(9):464-470. ---------------------------------------------------------------"— Transcrição da apresentação:

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

2 - Mitocôndrias: quem são? - Genoma próprio: por quê? - Transcrição gênica mitocondrial: um caso a parte. INTRODUÇÃO

3 Eubactérias de vida livre (genoma completo) Plastídeos e mitocôndrias (genoma reduzido) Cianobactéria - cloroplastoproteobactéria - mitocôndria Why have organelles retained genomes? Race HL, Herrman RG and Martin W.

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

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

6 No entanto, a composição e organização do genoma mitocondrial é muito divergente entre os diversos organismos! Why have organelles retained genomes? Race HL, Herrman RG and Martin W.

7 Saccharomyces cerevisiae Mitochondrial genomes Yeast

8 Arabidopsis thaliana Mitochondrial Genomes Plants

9 Homo sapiens Mitochondrial Genomes Humans

10 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.

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

12

13 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.

14 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.

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

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

17 HUMANOS Splicing: não ocorre íntrons no genoma mitocondrial em humanos. Messenger RNA stability in mitochondria: different means to an end. Gagliardi D, Stepien PP, Temperley RJ, Chrzanowska-Lightowlers 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.

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

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

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

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

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

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

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

25 FIM