Origem e diversificação da família gênica P5CS

Abstract

Em resposta a vários estresses, o acúmulo de prolina ocorre em bactérias, protozoários, invertebrados marinhos e em plantas. Em animais e plantas, a prolina também desempenha outras funções fisiológicas. A principal via de biossíntese da prolina tem o glutamato como substrato e ocorre por três reações enzimáticas. Em procariotos, alguns eucariotos unicelulares e fungos, a primeira e a segunda reação são catalisadas pelas enzimas γ-GK e γ-GPR, que são codificadas pelos genes ProB e ProA, respectivamente. Em animais, plantas e em alguns eucariotos unicelulares um único gene, denominado P5CS, codifica uma enzima bifuncional com os domínios, GK e GPR, responsável pela primeira e segunda reações na biossíntese de prolina. Tendo em vista a importância fisiológica da prolina e do seu metabolismo nos organismos vivos, o principal objetivo deste trabalho é elucidar a história evolutiva da família gênica P5CS. Apesar de serem encontrados outros estudos que abordam aspectos evolutivos do P5CS, eles não utilizam uma grande amostragem ou ficam restritos a apenas animais ou plantas, tendo assim, questões ainda em aberto, principalmente quanto a origem e diversificação deste gene. Portanto, para atingir nossos objetivos, usamos uma abordagem filogenética com uma ampla amostragem dos genes P5CS, ProB e ProA, incluindo espécies dos três domínios da vida. As sequências foram recuperadas dos bancos de dados genômicos Ensembl e JGI. No total, foram obtidas 479 sequências de P5CS de 334 espécies, 661 sequências de ProB de 603 espécies e 612 sequências de ProA de 598 espécies. Os alinhamentos e análises filogenéticas de Máxima Verossimilhança e Bayesiana foram realizadas separadamente para os genes ProA, ProB e P5CS. Para entender o relacionamento do gene P5CS com os homólogos ProA e ProB, realizamos análises filogenéticas com os domínios GK e GPR separados e incluindo em cada conjunto de dados as sequências dos genes ProB e ProA. Foram realizadas também análises de seleção com o gene P5CS. Em geral, a filogenia estimada dos genes P5CS, ProB e ProA, concordam com a filogenia das espécies. Nas filogenias dos domínios temos a formação de dois grandes clados, mostrando uma clara separação entre o gene P5CS e seus homólogos ProB/ProA. Analisando este resultado em conjunto com a árvore das espécies, sugerimos que o gene P5CS descende de um único evento de fusão que ocorreu no ancestral de alguma linhagem eucariótica, e sendo disseminada para outros grupos via transferência horizontal de genes, uma vez que na árvore das espécies a característica “possuir P5CS” forma um grupo polifilético. A topologia encontrada no gene P5CS de plantas nos mostra que estas espécies sofreram diversos processos independentes de duplicação e perdas gênicas. Foram também identificados sítios sob seleção positiva no P5CS das plantas, no qual se encontram diferentes resíduos entre os parálogos, o que pode estar relacionado com a subfuncionalização encontrada em algumas espécies. Foram também identificados sob seleção positiva importantes sítios do P5CS de espécies de animais, no qual se tem registro de mutações com efeitos deletérios em humanos. Nosso trabalho traz novas evidências sobre a origem do gene P5CS e da sua diversificação na linhagem dos animais e principalmente na linhagem das plantas.

In response to various stresses, the accumulation of proline occurs in bacteria, protozoa, marine invertebrates, and plants. In animals and plants, proline also performs other physiological functions. The main pathway for proline biosynthesis has glutamate as a substrate and occurs through three enzymatic reactions. In prokaryotes, some unicellular eukaryotes and fungi, the first and second reactions are catalyzed by the enzymes γ-GK and γ-GPR, encoded by the ProB and ProA genes, respectively. In animals, plants and some unicellular eukaryotes, a single gene, called P5CS, encodes a bifunctional enzyme with the domains, GK and GPR, responsible for the first and second reactions in proline biosynthesis. In view of the physiological importance of proline and its metabolism in living organisms, the main objective of this work is to elucidate the evolutionary history of the P5CS gene family. Other studies are found that address the evolutionary aspects of P5CS, they do not use a large sample or are restricted only to animals or plants, remaining doubts, mainly regarding the origin and diversification of this gene. Therefore, to achieve our goals, we use a phylogenetic approach with a wide sampling of the P5CS, ProB and ProA genes, including species from the three domains of life. The sequences were retrieved from the Ensembl and JGI genomic databases. In total, 479 P5CS sequences from 334 species, 661 ProB sequences from 603 species and 612 ProA sequences from 598 species were obtained. The alignments and phylogenetic analysis of Maximum Likelihood and Bayesian were performed separately for the ProA, ProB and P5CS genes. To understand the relationship of the P5CS gene with the ProA and ProB homologs, we performed phylogenetic analyzes with the separate GK and GPR domains and including the sequences of the ProB and ProA genes in each data set. Selection analyzes were also performed with the P5CS gene. In general, the estimated phylogeny of the P5CS, ProB and ProA genes agree with the specie’s phylogeny. In the phylogenies of the domains, we have the formation of two large clades, showing a clear separation between the P5CS gene and its ProB/ProA homologs. Analyzing this result in conjunction with the species tree, we suggest that the P5CS gene descends from a single fusion event that occurred in the ancestor of some eukaryotic lineage and being disseminated to other groups via horizontal gene transfer, since in the tree of the species, the characteristic “having P5CS” forms a polyphyletic group. The topology found in the plant P5CS gene shows us that these species have undergone several independent processes of duplication and gene losses. Sites with positive selection were also identified in the P5CS of the plants, in which different residues are found between the paralogs, which may be related to the subfunctionalization found in some species. Important sites of P5CS of animal species were also identified under positive selection, in which mutations with deleterious effects on humans are recorded. Our work brings new evidence about the origin of the P5CS gene and its diversification in the lineage of animals and especially in the lineage of plants.