Evolução molecular das cistatinas de plantas : ênfase em fitocistatinas do tipo II

Abstract

As fitocistatinas englobam uma família de inibidores de proteases cisteínicas envolvidos em processos biológicos como regulação da degradação de proteínas durante a germinação, desenvolvimento da planta e morte celular, além de respostas a estresses abióticos e bióticos. Com expressão ubíqua, as fitocistatinas são classificadas em subfamílias de acordo com seu peso molecular e especificidade inibitória. Os genomas e transcriptomas de plantas disponíveis em nossa era de sequenciamento de alto rendimento permitiram a identificação de genes desta família em diversas espécies e uma reconstrução filogenômica a fim de compreender melhor a evolução molecular das cistatinas vegetais. Usando sequências de fitocistatinas dos tipos I e II, reconstruímos a filogenia da subfamília das fitocistatinas. Observamos dois grupos: um com fitocistatinas do tipo I (PhyCys I) e fitocistatinas do tipo II (PhyCys-II) de Viridiplantae que possuem íntrons em sua estrutura gênica, e outro com PhyCys-I de angiospermas que não possuem íntrons. Nossos resultados sugerem que as PhyCys-I com íntrons se originaram a partir de múltiplos eventos de perda da porção carboxi-extendida de PhyCys-II. As PhyCys-I sem íntrons, por sua vez, teriam se originado a partir de um evento de retroduplicação compartilhado por todas as plantas com flores, seguido de uma duplicação gênica que levou à formação de dois subgrupos. Dois eventos principais de duplicação gênica também foram identificados em PhyCys-II: um em gimnospermas e outro em eudicotiledôneas. Apesar da elevada conservação a nível de sequência, substituições de aminoácidos com características químicas distintas podem ser identificadas entre as duas formas duplicadas em angiospermas. Nossas análises não identificaram nenhum sítio sob seleção positiva na sequência de PhyCys-II.

Phytocystatins encompass a family of inhibitors of cysteine proteases involved in biological processes such as regulation of protein turnover during germination, development and cell death, in addition to responses to abiotic and biotic stresses. With ubiquitous expression, phytocystatins are classified into subfamilies according to their molecular weight and inhibitory specificity. Plant genomes and transcriptomes available in our high-throughput sequencing era enabled the identification of genes from this subfamily in several species and allowed a phylogenomic reconstruction to better understand the molecular evolution of plant cystatins. In the present work, we explored the evolution of the phytocystatin gene subfamily, with a special focus on bifunctional phytocystatins. Using sequences of types I and II phytocystatins, we reconstructed the phylogeny of the phytocystatin subfamily. We observed two groups: one containing type-I phytocystatins (PhyCys I) and type-II phytocystatins (PhyCys-II) from Viridiplantae that have introns in their gene structure, and another with intronless PhyCys-I from angiosperms. Our results suggest that PhyCys-I with introns originated from multiple events of loss of the carboxy-extended portion of PhyCys-II. In turn, intronless PhyCys-I would have originated from a retroduplication event shared by all flowering plants, followed by a gene duplication that led to the formation of two subgroups. Two major gene duplication events were also identified in PhyCys-II: one in gymnosperms and another in Eudicots. Despite the high conservation at the sequence level, substitutions of amino acids with different chemical properties can be identified between the two duplicated forms in angiosperms. Our analyses could not identify any sites under positive selection in the sequence of PhyCys-II.