Divergência funcional da família gênica da álcool desidrogenase em plantas

Abstract

As proteínas glicolíticas em plantas são codificadas por pequenas famílias multigênicas, que fornecem um interessante contraste às famílias multigênicas com um grande número de cópias estudadas até o momento. Os genes Adh codificam enzimas glicolíticas, conhecidas como álcool desidrogenase, as quais têm sido caracterizadas em várias famílias de plantas. Embora as seqüências de aminoácios das cadeias longas de ADH, que contêm zinco como cofator, sejam altamente conservadas, a função metabólica dessa enzima é variável. Além disso, elas têm diferentes padrões de expressão e estão submetidas a diferentes taxas não-sinônimas entre as diferentes cópias gênicas. É possível que as cópias de Adh tenham sido mantidas como conseqüência da substituição adaptativa de aminoácidos que conferiu uma mudança em sua função. Neste estudo, estendemos análises prévias dessa família gênica, utilizando técnicas de filogenia e modelagem molecular, com o objetivo de entender o processo de diversificação envolvido na evolução dessa família multigênica. As análises filogenéticas indicaram que têm havido eventos separados de duplicação dentro de angiospermas, ou seja, genes identificados como Adh1, Adh2 e Adh3 em diferentes grupos podem não ser homólogos. Nenhuma indicação de seleção positiva foi encontrada para a família gênica Adh em plantas. Entretanto, os coeficientes de divergência funcional ( ) estimados entre os grupos de genes Adh1 e Adh2 indicaram mudanças sítio-específicas, estatisticamente significativas, na taxa evolutiva entre os mesmos, bem como entre aqueles genes Adh de diferentes famílias botânicas, sugerindo que alterações nas restrições funcionais podem ter ocorrido em alguns resíduos de aminoácidos depois da especiação. Modelos teóricos da estrutura tridimensional da enzima álcool desidrogenase de 17 espécies de plantas foram construídos e validados estereoquimicamente. Os resíduos de aminoácidos importantes para a divergência funcional dessa enzima foram identificados na estrutura tridimensional da mesma.

The glycolytic proteins in plants are coded by small multigene families, which provide an interesting contrast to the high copy number gene families studied to date. The alcohol dehydrogenase (Adh) genes encode glycolytic enzymes that have been characterized in some plant families. Although the amino acid sequences of zinccontaining long-chain (LC) ADHs are highly conserved, the metabolic function of this enzyme is variable. Besides this, they have different patterns of expression and are submitted to differences in nonsynonymous substitution rates between gene copies. It is possible that the Adh copies have been retained as a consequence of adaptative amino acid replacement which has conferred a subtle change in function. We extend previous studies of this gene family, with the goal of using phylogenetic approach and molecular modeling tools to understand the process of diversification involved in the evolutionary process of this multigene family. The phylogenetic analysis indicate that there have been a number of separate duplication events within angiosperms, that is to say genes labeled Adh1, Adh2 and Adh3 in different groups may not be homologous. No indication of positive selection was encountered for the plant Adh gene family. However, the coefficients of functional divergence ( ) estimated between the Adh1 and Adh2 gene groups indicate statistically significant site-specific shift of evolutionary rate between them, as well as between those of different botanical families, suggesting that altered functional constraints may take place at some amino acid residues after speciation. Theoretical tridimensional models of seventeen plant alcohol dehydrogenase were constructed and verified to be stereochemically valid. The amino acids residues important for the functional divergence of this enzyme were identified in the ADH tridimensional structure.