I geni moonlighting ospitano ORF antisenso che codificano potenziali proteine ​​di membrana

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12591 (2023) Citare questo articolo

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I geni moonlighting codificano per singole molecole polipeptidiche che svolgono funzioni multiple e spesso non correlate. Questi geni sono presenti in tutti i domini della vita. La loro ubiquità e diversità funzionale sollevano molti interrogativi sulla loro origine, evoluzione e ruolo nel ciclo cellulare. In questo studio, presentiamo una semplice sonda bioinformatica che ci consente di classificare i geni in base al potenziale di traduzione antisenso e mostriamo che questa sonda arricchisce, in modo affidabile, i geni del chiaro di luna in una varietà di organismi. Abbiamo scoperto che i geni moonlighting ospitano presunti frame di lettura aperti antisenso (ORF) ricchi di codoni per amminoacidi non polari. Abbiamo anche scoperto che i geni del lavoro nero tendono a co-localizzarsi con i geni coinvolti nella produzione della parete cellulare, della membrana cellulare o dell'involucro cellulare. Sulla base di questo e di altri risultati, offriamo un modello in cui proponiamo che i prodotti genetici del moonlighting possano sfuggire alla cellula attraverso le lacune nella parete cellulare e nella membrana, nei cantieri di costruzione della parete/membrana; e proponiamo che gli ORF antisenso producano prodotti proteici “appiccicosi alla membrana”, legando efficacemente il DNA del gene moonlighting alla membrana cellulare in aree porose dove è in corso un'intensa costruzione della parete cellulare/membrana cellulare. Ciò porta ad un alto potenziale di fuga delle proteine ​​del chiaro di luna sulla superficie cellulare. Vengono discusse le implicazioni evolutive e di altro tipo di questi risultati.

I geni moonlighting sono geni che codificano per proteine ​​aventi molteplici funzioni distinte e spesso non correlate1. Paradossalmente, queste proteine ​​hanno spesso una localizzazione citosolica oltre a trovarsi all'esterno della cellula. A nostra conoscenza, per queste proteine ​​non è stato identificato alcun partner nel sistema di secrezione. Nei 30 anni trascorsi da quando si è scoperto che la gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi (GAPDH) ha un ruolo secondario sulla superficie cellulare degli streptococchi patogeni2, sono stati scoperti molti altri esempi di lavoro nero. Tali esempi includono prodotti genetici con ruoli citosolici ben noti che in qualche modo finiscono sulla superficie della cellula o vengono escreti nei terreni di coltura. Il database MoonProt, curato manualmente, ora elenca oltre 300 di questi geni, che abbracciano organismi ospiti che vanno dai batteri ai lieviti, ai protisti, agli archeoni, alle piante e ai mammiferi. Molte domande fondamentali rimangono senza risposta: come fanno questi geni ad acquisire molteplici funzioni? Come riescono ad accedere all'esterno della cellula, in assenza di partner nel sistema di secrezione? Perché alcuni enzimi metabolici vengono secreti mentre molti altri no? E com'è possibile che le stesse proteine ​​(ad esempio GAPDH, enolasi, DnaK, GroEL, Ef-Tu, superossido dismutasi) svolgano ruoli secondari in diversi ospiti? Poiché le stesse proteine ​​si trovano spesso nei ruoli secondari nei vari phyla, sembra probabile che il fenomeno sia reso possibile da processi fondamentali per tutta la vita. Da notare che molti geni coinvolti nel lavoro nero sono geni antichi e altamente conservati, che indicano ancora una volta processi sottostanti che sono fondamentali, forse addirittura primordiali, in un certo senso. Nel presente studio, miriamo a un'indagine bioinformatica top-down sui geni del chiaro di luna, in cui cerchiamo indizi di alto livello e cause ed effetti pan-genomici.

Una caratteristica chiave della vita cellulare è l’incapsulamento: le cellule hanno un interno e un esterno, con strutture durevoli che separano i due. Un modo di vedere la cosa è che la cellula incorpora un gradiente entropico, con un ambiente acquoso ad alta entropia al centro, e un involucro a bassa entropia (vale a dire altamente strutturato), che comprende una membrana e componenti strutturali, a livello la periferia. I componenti della membrana cellulare sono in gran parte composti da proteine ​​contenenti aminoacidi non polari; mentre, al contrario, le proteine ​​idrosolubili (come quelle presenti al centro della cellula) hanno sulla loro superficie per lo più amminoacidi polari. Il codice genetico offre un meccanismo conveniente (e universale) per specificare gli amminoacidi polari rispetto a quelli non polari: una purina alla base due di un codone garantisce virtualmente la selezione di un amminoacido polare, mentre una pirimidina nella seconda base tende a garantire un amminoacido non polare. Ciò suggerisce un codice genetico primordiale che potrebbe (probabilmente, almeno) essere stato un codice binario, che consentiva amminoacidi polari o non polari, basato sull'uso di purine o pirimidine nei codoni. (Per la discussione di questa possibilità, vedere Trifonov3). Che si tratti di RNA o DNA, il materiale genetico primordiale potrebbe essere stato a filamento singolo, nel qual caso la trascrizione in mRNA (se avvenuta) potrebbe avvenire solo in una direzione, vale a dire in un modo da 3′ a 5′. Tuttavia, con l'arrivo degli acidi nucleici a doppio filamento, la trascrizione potrebbe avvenire in due direzioni. A causa della complementarità, un messaggio che codifica amminoacidi polari in una direzione tenderebbe naturalmente a codificare amminoacidi non polari nell'altra direzione. Si può immaginare uno scenario nei primi giorni del materiale genetico a doppio filamento, vale a dire i giorni prima che promotori, repressori, sequenze Shine Dalgarno o altre organizzazioni di sequenze specializzate come UTR/regioni non codificanti: a quel punto, la trascrizione potrebbe avere si è verificato in modo bidirezionale, con proteine ​​solubili in acqua prodotte in una direzione e proteine ​​ricche di amminoacidi idrofobici prodotte nell'altra direzione, una situazione che porta in modo abbastanza naturale alla produzione di proteine ​​di membrana e all'incapsulamento di proteine ​​idrofile all'interno delle membrane (cioè vita cellulare) . Il lavoro nero è in gran parte una questione che coinvolge “dentro contro fuori”. Pertanto, è naturale chiedersi se gli indizi del fenomeno potrebbero coinvolgere questioni relative all’utilizzo di aminoacidi idrofobici e/o alla costruzione della parete cellulare e della membrana cellulare. Considereremo questa e altre domande nella formulazione di tecniche bioinformatiche progettate per scoprire i geni del lavoro nero.