Análise evolutiva e funcional das proteínas de estresse universal em parasitos platelmintos

Abstract

As proteínas de estresse universal (USPs) são codificadas por uma família gênica amplamente distribuída nos organismos, a exceção dos deuterostomados. As USPs possuem um motivo conservado de ligação a ATP e análogos, e participam na resposta a diversos tipos de estímulos como estresse oxidativo, choque térmico, falta de nutrientes, e radiação UV, o que sugere um papel importante destas proteínas na homeostasia celular. Devido à natureza intrínseca das relações parasito-hospedeiro, diversos tipos de estresses (bióticos e abióticos) estão presentes ao longo do ciclo de vida do parasito, o que indica que as USPs possam ser fundamentais para a sobrevivência e permanência no seu hospedeiro. Assim, o objetivo deste trabalho é realizar uma análise filogenética e de diversidade evolutiva através do uso da genômica comparativa e métodos para inferir divergência funcional em espécies do filo dos Platelmintos. Além disso, propomos a caracterização funcional das USPs através da produção de uma USP de Echinococcus ortleppi (classe Cestoda) como proteína recombinante (rEoUSP-1) em Escherichia coli, e posteriores análises de oligomerização e ligação e hidrólise de ATP. Nosso trabalho identificou que os genes das USPs se organizam em clusters, possuem pseudogenes, e apresentam um amplo grau de divergência funcional, especificamente em aminoácidos próximos ao domínio de interação com o ligante. Estes dados indicam que as USPs seguem o modelo de nascimento e morte (birth and death) de genes, onde os genes adotam caminhos evolutivos diferentes ao longo do tempo (pseudogenização, sub/neofuncionalização). Por outro lado, a proteína recombinante rEoUSP-1 mostrou sua capacidade de ligar ATP. A atividade ATPase foi detectada somente em altas concentrações da proteína, o que sugere que esta atividade precisaria de outros componentes celulares. A rEoUSP-1 foi capaz de formar dímeros, o que está de acordo com dados já descritos na literatura. Em conclusão, a divergência funcional das USPs pode ter implicações na resposta a estímulos diferentes, na interação com diversos tipos de ligante, ou numa expressão gênica específica no espaço e tempo. Além disso, as análises funcionais da rEoUSP-1 contribuem para o entendimento destas proteínas em organismos eucariotos, e na interface parasito-hospedeiro.

Universal stress proteins (USPs) are encoded by a gene family with a wide distribution among organisms, except in deuterostomes. USPs exhibit a conserved motif capable to interact with ATP and analogs, and participate in response to a large variety of stimuli such as oxidative stress, heat shock, nutrient starvation, and UV radiation, suggesting an important role regarding the cellular homeostasis. Due to the intrinsic nature of the host-parasite relationship, different types of stresses (biotic and abiotic) are present during the parasite lifecycle, indicating that USPs could be critical for the survival and permanence in its host. Thus, the objective of this work is to perform a phylogenetic and evolutionary divergence analysis using comparative genomics and methods to infer functional divergence in species of the phylum Platyhelminthes. Moreover, we propose the functional characterization of USPs by producing an Echinococcus ortleppi (Cestoda, Platyhelminthes) USP as a recombinant protein (rEoUSP-1) in Escherichia coli, and performing oligomerization and ATP-binding and hydrolysis assays. Our work identified that USPs genes are organized in clusters, have pseudogenes, and exhibits large functional divergence, specifically in residues near the ATP-binding domain. These data indicates that USPs follow a birth and death model of evolution, where some genes carry deleterious mutations producing pseudogenes, and other maintain different functions (sub/neofunctionalization). On the other hand, we verified that rEoUSP-1 may bind ATP. The ATPase activity was detected only at higher protein concentrations, suggesting that other cellular components may be needed to achieve this function. The rEoUSP-1 forms dimers, a similar result also observed on literature. In conclusion, the functional divergence of USPs may have implications in the response to different stimuli, in the interaction with several types of ligand, or in the specific spatiotemporal gene expression. Additionally, functional analysis of rEoUSP-1 contributes to a better understanding of these proteins both in relation to eukaryotic species, and regarding the host-parasite interface.