Padrão de uso de códons em genes duplicados de Corynespora cassiicola

Abstract

Os genes duplicados podem seguir diferentes destinos evolutivos. Após eventos de duplicação, o acúmulo distinto de mutações não-sinônimas pode fazer com que os parálogos se tornem capazes de codificar produtos gênicos divergentes. Com o passar do tempo evolutivo, estes produtos podem adquirir funções complementares ou até mesmo funções distintas. Mutações sinônimas, ou silenciosas também podem alterar a estrutura ou a função de parálogos em famílias multigênicas. O acúmulo de mutações sinônimas altera o padrão de uso de códons e assim, potencialmente, modula diferencialmente a tradução do transcrito gerado por cada parálogo. Investigar o padrão de uso de códons em famílias multigênicas pode fornecer evidências importantes para o estudo evolutivo destas famílias e como este fenômeno pode contribuir para modular o repertório de produtos gênicos a disposição do organismo. Em patógenos, a investigação poderia ajudar a aprofundar a compreensão de eventos que acontece durante as interações patógeno-hospedeiro. Corynespora cassiicola é bastante conhecido por ser um fungo patogênico cosmopolita de alto índice de polifagia. Em seu genoma, este fungo acumula uma grande quantidade de genes com o potencial de serem efetores e, portanto, atuantes durante a sua interação com os distintos hospedeiros. As proteínas indutoras de necrose e que estimulam a produção de etileno (NLP), as enzimas do tipo pectinas metilesterases (PME) e as enzimas deuterolisina metaloproteases (M35) são exemplos de famílias multigênicas que estão presentes no genoma de Corynespora cassiicola. Membros destas famílias multigênicas possuem o potencial de atuarem como efetores durante as primeiras horas de infecção. Para o presente estudo, foram obtidos conjuntos de dados moleculares compostos por sequencias de DNA das famílias multigênicas NLP, PME e M35. Foram obtidos também dados de genes ortólogos de cópia única (single copy orthologs, SCO), que foram utilizados como conjunto de referência durante algumas análises. Por fim, foram conduzidas uma série de análises que mensuraram o viés de uso de códons e estimam vários parâmetros a ele associados. Os resultados mostraram que a grande maioria dos parálogos dentro de cada família exibiram preferência por códons ricos em bases nitrogenadas GC. Essa preferência por GC ocorreu principalmente em detrimento de A. Mesmo sendo constatado que genes diferentes compartilham códons preferenciais em comum, ficou evidenciado que existe mais de uma força moldando o padrão de uso de códons. No geral a maior influência é de pressão de mutação e principalmente seleção natural. Foi possível notar também que membros de uma mesma família genica podem ser afetados por diferentes forças evolutivas. Tal fato tornou difícil a tarefa de encontrar relações entre os padrões de uso de códons em membros mais próximos filogeneticamente. Outra descoberta interessante é que os parálogos que apresentaram os padrões de uso de códons mais distinto do conjunto de dados de referência foram os que apresentaram menores taxas de expressão. Esta descoberta indica uma possível relação entre os códons preferenciais de um organismo e a taxa de tradução e consequentemente expressão apresentada pelo mesmo. Palavras-chave: Evolução molecular; Fungos fitopatogênicos; Genes efetores; Mutação silenciosa; Viés de códons.

The duplicated genes can follow different evolutionary fates. After duplication events, the distinct accumulation of non-synonymous mutations can lead paralogs to encode divergent gene products. Over evolutionary time, these products may acquire complementary or even distinct functions. Synonymous mutations, also known as silent mutations, can also alter the structure or function of paralogs in multigene families. The accumulation of synonymous mutations changes the codon usage pattern and thus, potentially, differentially modulates the translation of the transcript generated by each paralog. Investigating the codon usage pattern in multigene families can provide important evidence for the evolutionary study of these families and contribute to modulating the repertoire of gene products available to the organism. In pathogens, such investigation could help deepen the understanding of events occurring during pathogen-host interactions. Corynespora cassiicola is well-known for being a cosmopolitan pathogenic fungus with a high degree of polyphagy. In its genome, this fungus accumulates a large number of genes with the potential to be effectors and therefore act during its interaction with different hosts. Necrosis-inducing and ethylene-stimulating proteins (NLP), pectin methylesterase-like enzymes (PME), and deuterolysin metalloprotease enzymes (M35) are examples of multigene families present in the genome of Corynespora cassiicola. Members of these multigene families have the potential to act as effectors during the early hours of infection. For this study, molecular data sets were obtained, consisting of DNA sequences from the NLP, PME, and M35 multigene families. A data set of single-copy orthologous genes (SCO) was also obtained, which was used as a reference set during some analyses. Finally, a series of analyses measured the bias in codon usage and estimated various associated parameters. The results showed that the vast majority of paralogs within each family exhibited a preference for codons rich in GC nitrogenous bases. This preference for GC occurred mainly at the expense of A. Even though different genes shared common preferred codons, it was evident that more than one force shaped the codon usage pattern. Overall, the greatest influence is from mutation pressure and, primarily, natural selection. It was also noted that members of the same gene family can be affected by different evolutionary forces. This fact made it difficult to establish relationships between codon usage patterns in closely related phylogenetic members. Another interesting discovery is that paralogs that exhibited the most distinct codon usage patterns from the reference data set were those with lower expression rates. This finding suggests a possible relationship between an organism's preferred codons and the translation rate and, consequently, the expression exhibited by it. Keywords: Codon bias; Effector genes; Molecular evolution; Phytopathogenic fungi; Silent mutation.