Synthesis and degradation of lysine in higher organisms : a possible bacterial origin

Orientador: Paulo ArrudaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: A lisina é considerada um aminoácido essencial, pois é componente fundamental de proteínas e não pode ser sintetizado por animais, sendo necessário ingeri-lo em sua forma final. Sua concentração é baixa em cereais, principal fonte de alimento animal e sua carência pode trazer sérios danos ao organismo, principalmente relacionados ao sistema nervoso. Por outro lado, seu excesso, causado pela deficiência na degradação, também é danoso podendo levar ao retardo no desenvolvimento mental. A síntese da lisina em plantas e bactérias é realizada principalmente pela via do ácido aspártico, que além desse aminoácido é responsável pela produção de treonina, metionina e isoleucina. A degradação da lisina em animais e plantas ocorre principalmente pela via da sacaropina. Essa via, por sua vez, é utilizada para a síntese de lisina em fungos. Assim, tanto a síntese como a degradação de lisina em diferentes organismos possuem arquiteturas metabólicas particulares que, durante o processo evolutivo, foram selecionadas para adequar-se as necessidades do metabolismo, diferenciação e desenvolvimento. Até o momento não existia indício da existência e da funcionalidade da via do ácido aspártico em animais e nem da via da sacaropina em bactérias. O presente trabalho apresenta um conjunto de resultados que sugerem a existência da via do ácido aspártico em insetos e a via da sacaropina em bactérias. Foram identificados em Anopheles gambie e Aedes aegypti, respectivamente 6 e 5 genes dos 9 que compõem a via do ácido aspártico em bactérias. A análise de similaridade de sequências sugere que os genes da via do ácido aspártico encontrados nos insetos pode ter se originado a partir de bactérias endosimbióticas. A necessidade da via de síntese de lisina nesses insetos pode estar ligada a fonte de alimentação, em alguns casos deficiente em aminoácidos essenciais. Quanto à degradação da lisina, os resultados sugerem a existência, em alguns grupos de bactérias, dos genes que codificam as enzimas lisinacetoglutarato redutase e sacaropina desidrogenase (lkr e sdh), responsáveis pelos passos iniciais da via em plantas e animais. Em alfa-proteobactérias, encontramos os genes lkr e sdh ligados em tandem na forma de um operon. Em plantas e animais esses genes também são ligados e codificam um polipeptídio bifuncional contendo as atividades da LKR e de SDH. O operon da lkr e sdh encontrado em alfaproteobactérias contém também os genes que codificam as enzimas glutationa-Stransferase (GST) e fosfogliceraldeído mutase (FM). Essa estrutura genômica sugere que a LKR e a SDH podem fazer parte de um conjunto de enzimas importantes na defesa contra estresse oxidativo, além da degradação da lisina como pode ser demonstrado pela atividade enzimática de LKR e SDH nesse organismo. A análise da estrutura genômica dos genes da via da sacaropina em bactérias revelou um fato curioso. Em plantas existe um peptídeo de aproximadamente 100 aminoácidos intercalando os domínios polipeptídicos da LKR e da SDH. Esse peptídeo, denominado de interdomínio (ID) é exclusivo de plantas, não tendo sido encontrado em nenhum dos genomas de eucariotos seqüenciados até o momento. Seqüências similares ao ID foram encontradas em cianobacterias e algumas archeobacterias, porém em nenhum caso esses IDs puderam ser associados com seqüências codificadoras de LKR e/ou SDH. Neste trabalho buscamos remontar uma possível história evolutiva da via da sacaropina e apresentamos uma hipótese evolutiva para a origem dos genes LKR e SDH de plantas e animaisAbstract: Lysine is an amino acid that is not synthesized by animals and therefore need to be ingested in its final form. Lysine concentration is low in cereals and the lack of this amino acid in diet can cause severe damage to the organism specially associated to the nervous system. On the other hand its excess, caused by the deficiency in the degradation of lysine, can also lead to organism disorder as mental development retardation. Lysine is mainly synthesized trough the aspartate pathway in plant and bacteria and the same pathway can also lead to synthesis of threonine, methionine and isoleucine. Lysine degradation occours trough the saccharopine pathway in animal and plant, but other pathways are known for bacteria and fungi. Until now there was not an evidence of the existence of any of the pathways. Here we present new data of the existence of the aspartate pathway in animals and the saccharopine pathway bacteria respectively. We were able to demonstrate the existence of most of the genes that compose the aspartate pathway in Anopheles gambie e Aedes aegypti and sequence clustering suggest a possible origin of these genes from endosymbiontic bacteria. Concerning the lysine degradation, we have gathered data that indicates the existence of genes responsible for producing the proteins for two first enzymatic steps, lysine ketoglutarate redutase (LKR) and saccharopine dehidrogenase (SDH), in bacteria. Exclusively in Proteobacteria we found these genes in the exact same structure of animals and plants and we were able to detected enzymatic activity for LKR and SDH. Curiously these genes are inside a single operon that also has glutatione s transferase and phosphoglyceraldehide mutase, both genes previously associated with defense against oxidative stress. This may suggest a possible new role for LKR/SDH in preventing oxidative stress. The analysis of amino acid sequence and domains of LKR/SDH in plant, animals and fungus, shows that there is a region of approximately 110 aa between LKR and SDH domains that is exclusive to plants, we called this region the inter domain (ID). Interestedly we found only in Cyanobacterial this typical plant domain, the ID. After these novel results we attempted to reconstruct the evolutionary history of pathway, suggesting an explanation for the origin of plants and animals LKR and SDHMestradoGenetica Vegetal e MelhoramentoMestre em Genética e Biologia Molecula