Análise de filogenia e de rede de interações em proteínas argonautas de bactérias e arquéias mesofílicas e termofílicas de interesse biotecnológico

Abstract

As Argonautas longas, presentes em procariontes (pAgos longos A e B) e eucariotos (eAgos), têm quatro domínios principais: N, PAZ, MID e PIWI, além de dois domínios estruturais de ligação, L1 e L2. Os pAgos são mais diversos que os eAgos, com aproximadamente 30% dos genomas bacterianos e 10% dos genomas sequenciados de arqueias contendo pAgos, dos quais 60% são pAgos curtos. Estes últimos possuem apenas os domínios MID e PIWI, que são inativos. O domínio PAZ é conectado aos domínios N e MID por dois loops, L1 e L2, permitindo flexibilidade. Nos pAgos curtos, frequentemente há uma fusão com proteínas efetoras contendo o domínio APAZ, que corresponde aos domínios N, L1 e L2 das pAgos longas. Esses sistemas são semelhantes aos de defesa CRISPR-Cas, pois ambos reconhecem ácidos nucleicos invasores, mas os pAgos curtos frequentemente induzem a morte celular para prevenir a propagação do invasor, funcionando como sistemas de infecção abortiva. Estudos estruturais e bioquímicos mostram que os pAgos de procariontes termofílicos têm atividade de endonuclease guiada por ácidos nucleicos, semelhante à atividade CRISPR-Cas9. Os pAgos longos-A, que possuem uma tétrade catalítica DEDX no domínio PIWI, podem clivar o DNA alvo mediado por guias de DNA. Já os pAgos longos-B carecem dessa tétrade catalítica e o domínio PAZ frequentemente é truncado. Os pAgos curtos são divididos em quatro clados e frequentemente são encontrados em operons junto a um domínio APAZ. Os pAgos curtos, assim como os pseudo-pAgos curtos, colaboram com proteínas associadas para proteger o hospedeiro contra DNA invasor, como plasmídeos e vírus. Em vez de degradar o DNA invasor diretamente, esses sistemas induzem a morte celular após o reconhecimento mediado por guias, funcionando como mecanismos de defesa abortiva. Arqueias termofílicas, que são “fósseis vivos” e fornecem insights sobre a evolução primordial, apresentam características bioquímicas e fisiológicas que oferecem oportunidades na biotecnologia. Estas arqueias têm genomas pequenos e são promissoras em aplicações de engenharia metabólica, especialmente em condições onde bactérias e eucariotos falham, como em ambientes de alta temperatura. Os pAgos termofílicos com atividade de endonuclease têm grande potencial para manipulação genética programável. Portanto, explorar proteínas Argonautas com propriedades enzimáticas únicas pode levar a avanços na biotecnologia, incluindo aplicações em biologia molecular e medicina. As análises filogenéticas e funcionais indicam que alguns pAgos termofílicos podem funcionar em sistemas de resposta abortiva à infecção, destacando a importância de continuar a caracterizar esses mecanismos e suas aplicações.

Argonaute (Ago) proteins are present in all domains of life: bacteria, archaea, and eukaryotes. They use small oligonucleotide guides (15-30 nucleotides) to bind to complementary nucleic acid targets, playing crucial roles in gene expression regulation, silencing mobile genome elements, and defense against viruses or plasmids. They are classified into long and short Argonautes based on domain organization and phylogeny. Long Argonautes, present in prokaryotes (long pAgos A and B) and eukaryotes (eAgos), have four main domains: N, PAZ, MID, and PIWI, along with two structural binding domains, L1 and L2. Prokaryotic Agos (pAgos) are more diverse than eukaryotic Agos (eAgos), with approximately 30% of bacterial genomes and 10% of sequenced archaeal genomes containing pAgos, of which 60% are short pAgos. These short pAgos only possess the inactive MID and PIWI domains. The PAZ domain is connected to the N and MID domains by two loops, L1 and L2, allowing flexibility. In short pAgos, there is often a fusion with effector proteins containing the APAZ domain, corresponding to the N, L1, and L2 domains of long pAgos. These systems resemble CRISPR-Cas defense systems, as both recognize invading nucleic acids, but short pAgos often induce cell death to prevent the spread of the invader, functioning as abortive infection systems. Structural and biochemical studies show that pAgos from thermophilic prokaryotes have nucleic acid-guided endonuclease activity similar to CRISPR-Cas9. Long pAgos-A, which possess a catalytic tetrad DEDX in the PIWI domain, can cleave target DNA mediated by DNA guides. Long pAgos-B lack this catalytic tetrad, and the PAZ domain is often truncated. Short pAgos are divided into four clades and are often found in operons alongside an APAZ domain. Short pAgos, as well as pseudo-short pAgos, collaborate with associated proteins to protect the host against invading DNA, such as plasmids and viruses. Instead of directly degrading the invader DNA, these systems induce cell death after guide-mediated recognition, functioning as abortive defense mechanisms. Thermophilic archaea, which are "living fossils" and provide insights into primordial evolution, have biochemical and physiological characteristics that offer opportunities in biotechnology. These archaea have small genomes and are promising in metabolic engineering applications, especially in conditions where bacteria and eukaryotes fail, such as high-temperature environments. Thermophilic pAgos with endonuclease activity have great potential for programmable genetic manipulation. Therefore, exploring Argonaute proteins with unique enzymatic properties can lead to advances in biotechnology, including applications in molecular biology and medicine. Phylogenetic and functional analyses indicate that some thermophilic pAgos may function in abortive infection response systems, highlighting the importance of continuing to characterize these mechanisms and their applications.