Os genes do moonlighting abrigam ORFs antisense que codificam potenciais proteínas de membrana

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12591 (2023) Citar este artigo

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Os genes moonlighting codificam moléculas polipeptídicas únicas que desempenham funções múltiplas e muitas vezes não relacionadas. Esses genes ocorrem em todos os domínios da vida. Sua onipresença e diversidade funcional levantam muitas questões quanto às suas origens, evolução e papel no ciclo celular. Neste estudo, apresentamos uma sonda de bioinformática simples que nos permite classificar genes por potencial de tradução antisense, e mostramos que esta sonda enriquece, de forma confiável, para genes de trabalho clandestino em uma variedade de organismos. Descobrimos que os genes do trabalho clandestino abrigam supostos quadros de leitura aberta antisense (ORFs) ricos em códons para aminoácidos não polares. Descobrimos também que os genes do trabalho clandestino tendem a co-localizar-se com genes envolvidos na parede celular, na membrana celular ou na produção do envelope celular. Com base nesta e em outras descobertas, oferecemos um modelo no qual propomos que os produtos genéticos clandestinos provavelmente escaparão da célula através de lacunas na parede celular e na membrana, em locais de construção de paredes/membranas; e propomos que as ORFs antisense produzam produtos proteicos “pegajosos à membrana”, ligando efetivamente o DNA do gene clandestino à membrana celular em áreas porosas onde a construção intensiva da parede celular/membrana celular está em andamento. Isto leva a um alto potencial de escape de proteínas clandestinas para a superfície celular. As implicações evolutivas e outras dessas descobertas são discutidas.

Genes clandestinos são genes que codificam proteínas com múltiplas funções distintas e muitas vezes não relacionadas1. Paradoxalmente, essas proteínas geralmente têm uma localização citosólica, além de serem encontradas no exterior da célula. Até onde sabemos, não foram identificados parceiros do sistema de secreção para estas proteínas. Nos 30 anos desde que se descobriu que a gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase (GAPDH) desempenhava um papel secundário na superfície celular dos estreptococos patogénicos2, muitos outros exemplos de trabalho clandestino foram descobertos. Tais exemplos incluem produtos genéticos com funções citosólicas bem conhecidas que de alguma forma acabam na superfície da célula ou são excretados em meios de cultura. O banco de dados MoonProt, com curadoria manual, agora lista mais de 300 desses genes, abrangendo organismos hospedeiros que variam de bactérias a leveduras, protistas, arqueões, plantas e mamíferos. Muitas questões fundamentais permanecem sem resposta: Como é que estes genes adquirem múltiplas funções? Como conseguem acesso ao exterior da célula, na ausência de parceiros no sistema de secreção? Por que algumas enzimas metabólicas são secretadas e muitas outras não? E como é que as mesmas proteínas (por exemplo, GAPDH, enolase, DnaK, GroEL, Ef-Tu, superóxido dismutase) desempenham funções clandestinas em diversos hospedeiros? Como as mesmas proteínas são frequentemente encontradas em funções clandestinas em todos os filos, parece provável que o fenómeno seja possível graças a processos que são fundamentais para toda a vida. É digno de nota que muitos genes envolvidos no trabalho clandestino são genes antigos e altamente conservados, apontando mais uma vez para processos subjacentes que são fundamentais – talvez até primordiais, em certo sentido. No presente estudo, pretendemos uma investigação bioinformática de cima para baixo dos genes do trabalho clandestino, na qual procuramos pistas de alto nível e causas e efeitos pangenômicos.

Uma característica fundamental da vida celular é o encapsulamento: as células têm um interior e um exterior, com estruturas duráveis ​​que separam os dois. Uma maneira de ver isso é que a célula incorpora um gradiente de entropia, com um ambiente aquoso de alta entropia no centro, e um envelope de baixa entropia (ou seja, altamente estruturado), abrangendo uma membrana e componentes estruturais, em a periferia. Os componentes da membrana da célula são compostos em grande parte por proteínas contendo aminoácidos não polares; ao passo que, por outro lado, as proteínas solúveis em água (como as presentes no centro da célula) possuem principalmente aminoácidos polares em sua superfície. O código genético oferece um mecanismo conveniente (e universal) para especificar aminoácidos polares versus não polares: uma purina na base dois de um códon praticamente garante a seleção de um aminoácido polar, enquanto uma pirimidina na segunda base tende a garantir um aminoácido não polar. Isto sugere um código genético primordial que pode (pelo menos possivelmente) ter sido um código binário, permitindo aminoácidos polares ou não polares, com base no uso de purinas ou pirimidinas em códons. (Para discussão desta possibilidade, veja Trifonov3). Quer seja ARN ou ADN, o material genético primordial pode ter sido de cadeia simples, caso em que a transcrição para ARNm (se ocorresse) poderia ocorrer apenas numa direcção, nomeadamente de 3' para 5'. No entanto, com a chegada dos ácidos nucleicos de cadeia dupla, a transcrição pode ocorrer em qualquer uma das duas direções. Devido à complementaridade, uma mensagem que codifica aminoácidos polares em uma direção tenderia naturalmente a codificar aminoácidos não polares na outra direção. Um cenário pode ser imaginado nos primeiros dias do material genético de fita dupla, ou seja, nos dias anteriores aos promotores, repressores, sequências de Shine Dalgarno ou outras organizações de sequências especializadas, como UTRs/regiões não codificantes: nesse ponto no tempo, a transcrição pode ter ocorreu bidirecionalmente, com proteínas solúveis em água produzidas em uma direção e proteínas ricas em aminoácidos hidrofóbicos produzidas na outra direção, uma situação que leva naturalmente à produção de proteínas de membrana e ao encapsulamento de proteínas hidrofílicas dentro das membranas (ou seja, vida celular) . O trabalho clandestino é em grande parte uma questão que envolve “dentro versus fora”. Portanto, é natural imaginar se as pistas para o fenômeno podem envolver questões de uso de aminoácidos hidrofóbicos e/ou construção da parede celular e da membrana celular. Consideramos esta e outras questões na formulação de técnicas de bioinformática destinadas a descobrir genes clandestinos.