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

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.

FIM

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