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biologia molecular

Inteínas: splicing de proteínas

04/06/2003

Maria Christina M. Bonato.        

Depto. Biologia Molecular, Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa, julho 2002 |.


Resumo


Inteínas são elementos genéticos encontrados dentro de seqüências codificadaras de proteínas e que são traduzidos juntamente com a proteína hospedeira. Após tradução a Inteína é capaz de se auto-remover estabelecendo uma ligação peptídica entre os segmentos flanqueadores (Exteínas) da hospedeira gerando, em conseqüência, uma Exteína madura e uma Inteína livre.

Conceito Básico

Em todos os domínios da vida, Archaea, Bacteria e Eukarya, têm sido encontrados alguns genes interrompidos por elementos genéticos os quais, diferente dos íntrons, serão traduzidos no mesmo quadro de leitura das proteínas hospedeiras e só serão auto-removidos após a tradução (processamento pós-traducional). Tais seqüências auto-removíveis são denominadas inteínas (internal protein) e os segmentos adjacentes da proteína hospedeira são denominados exteínas

Assim, podemos definir "splicing" de proteínas como a excisão de uma seqüência interveniente (INTEÍNA) na proteína precursora e o encaixe concomitante dos fragmentos adjacentes (EXTEÍNAS) gerando, tanto a proteína hospedeira madura como a inteína livre (Perler, 2002). As inteínas conhecidas até o momento, cerca de 120, apresentam de 134 a 608 resíduos de aminoácidos (Visite o InBase, ou
seja, a base de dados de Inteínas). As proteínas hospedeiras de inteínas exercem as mais diferentes funções, incluindo enzimas metabólicas, DNA e RNA polimerases, girases, proteases, ribonucleotídio redutases e ATPases. Aparentemente, existe uma preferência para localização das inteínas na proteína hospedeira: próximo ao sítio catalítico de splicing da proteína (sítio de encaixe), onde as taxas de substituição de aminoácidos no decorrer da evolução são as mais baixas.

A remoção da inteína (splicing de proteína) não requer ajuda de nenhuma outra proteína conhecida. Para ocorrer excisão é necessário o domínio de splicing da inteína e o primeiro resíduo de aminoácido da exteína do carboxy-terminal (C-exteína). Este fenômeno foi descoberto em 1990, no gene que codifica a subunidade catalítica da V-ATPase de S. cerevisiae (Hirata et al., 1990; Kane et al., 1990). No caso dos íntrons, que também são segmentos intervenientes presentes em alguns genes, este segmento é removido do transcrito primário antes do mesmo ser traduzido em proteína. Normalmente entram e éxon não possuem o mesmo quadro de leitura aberta (ORF, do inglês, Open Reading Frame).

Domínios da Inteína

Muitas das inteínas já descritas possuem dois domínios: um que é responsável pelo "auto-splicing" e outro que tem atividade de endonuclease (Pietrokovski, 1998, 2001). A função da endonuclease seria espalhar a inteína entre homólogos da proteína hospedeira que ainda não possuam inteína, ou seja, transferência lateral da seqüência interveniente, resultando em sua duplicação. Este processo é denominado "homing" e ocorre via:

  cortes dupla-fita no DNA do gene alvo, no sítio de integração, ou próximo dele;

  reparação do DNA utilizando o gene homólogo, contendo inteína, como molde para produzir uma cópia da seqüência doadora (conversão gênica). O processo de conversão de um gene inteína-menos para um inteína-mais é bastante eficiente.

Esta habilidade das inteínas agirem como elementos genéticos móveis foi perdida em alguns casos, com a perda do domínio de endonuclease do gene. Pode-se dizer que as inteínas com domínio de endonuclease são seqüências intervenientes parasitadas por "homing" endonucleases. Nesta interação a endonuclease usa a seqüência interveniente como um refúgio que garante a replicação de si própria sem causar nenhum efeito deletério ao gene hospedeiro.

Os domínios da Inteína estão esquematizados na Figura 2. O domínio N-termínal de splicing de proteína, juntamente com o domínio C-terminal, constituem um domínio estrutural único, o qual é conservado em todas as inteínas estudadas até o momento.
O domínio de endonuclease (azul) da Inteína encontra-se entre as regiões de "Splicing", N-terminal e C-Terminal (vermelho), ladeada pelos motivos N4 e F. Todavia existem variações e algumas inteínas possuem uma região de reconhecimento adicional. Os motivos conservados, tanto nos domínios de splicing como no de endonuclease, estão representados pelas letras A, N2, B, N4, C, D, E, H, F e G. Também estão representados os resíduos de aminoácidos usualmente presentes nos terminais amino e carboxila da Inteína e no terminal amino da C-Exteína. C (cisteína), S (serina), T (treonina), A (alanina), H (histidina), N (asparagina), Q (glutamina).

Nomes das Inteínas

A denominação das Inteínas reflete o organismo e o gene onde está inserida. Por exemplo, as duas Inteínas encontradas no gene que codifica a subunidade alfa da ribonucleosídio difosfato redutase (Rir1) de Pyrococcus furiosus (Pfu), seriam denominadas, de acordo com sua posição, respectivamente, Pfu Rir1-1 e Pfu Rir1-2. Uma outra nomenclatura leva em consideração a convenção utilizada para nomear endonucleases e daí, neste caso, as Inteínas seriam denominadas respectivamente, PI-PfuI e PI-PfuII.

Evolução das Inteínas

Uma característica comum das proteínas hospedeiras de inteínas é sua origem ancestral. Muitas provavelmente já estavam presentes nos ancestrais dos procariotos e eucaritos. Até o momento foram identificadas 33 proteínas diferentes como hospedeiras das inteínas que se integram em 48 posições definidas. Portanto, algumas proteínas hospedeiras têm mais de uma posição de integração. Inteínas que se integram na mesma posição em genes ortólogos são denominadas alelos de inteína ou homólogos (Perler, 1997). O fato da semelhança entre seqüências de alelos de inteína ser muito maior do que a da semelhança entre suas proteínas hospedeiras e, também, o fato do conteúdo GC e a preferência de códons dos alelos de inteína ser diferente do de seus hospedeiros, sugere transferência lateral destes elementos (Pietrokovski, 2001). Similaridade de seqüência entre inteínas não alélicas é extremamente baixa, mas todas contem cinco ou seis motivos de comuns, no domínio de splicing da proteína.

Inteínas tem sido encontradas em bactérias, árqueas, cloroplastos e eucariotos unicelulares, mas, até o momento, não foram identificadas nos genomas de organismos multicelulares. A presença de inteínas parece não trazer nenhum benefício ao hospedeiro e, aparentemente, também não trariam prejuízos. A eliminação destes segmentos talvez seja evitada pelo fato de não existir nenhum mecanismo específico do hospedeiro para excisá-los e também pelo fato de estarem presentes em regiões muito conservadas da proteína hospedeira, relacionadas a seu sítio ativo.

É possível que, originalmente, as inteínas não apresentassem domínios de endonuclease, porque:

  o domínio de endonuclease não é necessário para que a reação de splicing de proteína ocorra;

  cerca de 15% das inteínas não têm domínio de endonuclease e, em algumas, este domínio está inativo;

  diferentes tipos de domínios de endonucleases são encontrados nas inteínas, sugerindo que foram adquiridos em diferentes momentos;

  o domínio de splincing de proteínas, presente nas inteínas, é similar ao domínio Hog das proteínas Hedgehog, sugerindo que ambas derivariam de um domínio ancestral comum que não apresentava endonucleases (Hall et al., 1997). Este domínio é denominado módulo Hint (Hedgehog, intein) e é dentro dele que se insere a endonuclease quando ela está presente.
As duas proteínas são mediadoras de reações de autoprocessamento iniciadas pela transferência de um grupo acil formando uma ligação tioester ativada a qual é clivada via transesterificação por moléculas contendo grupos thiol ou hidroxila. A alta divergência entre as seqüências de inteínas e o fato da divergência entre as seqüências de domínios Hog ser menor, sugere que as inteínas teriam originado os domínios Hog e que, provavelmente, a separação entre Inteínas e Hedgehogs tenha ocorrido antes da radiação dos metazoa (Hall et al., 1997). As inteínas são, provavelmente, muito antigas e foram gradualmente se extinguindo no decorrer da evolução, à medida que foram perdendo uma possível função benéfica inicial.

REFERÊNCIAS

Beachy PA, Cooper MK, Young KE, von Kessler DP, Park W, Hall TMT, Leahy DJ and Porter JA (1997) Multiple Roles of Cholesterol in hedgehog protein biogenesis and signaling.
Cold Spring Harbor Symp Quant Biol 62:191-204.

Hall TMT, Porter JA, Young KE, Koonin EV, Beachy PA and Leahy DJ (1997) Crystal structure of a hedgehog autoprocessing domain: Conservation of structure, sequence and cleavage mechanism between hedgehog and self-splicing proteins. Cell 91:85-97.

Hirata R, Ohsumi Y, Nakano A, Kawasaki H, Suzuki K and Anraku Y (1990) Molecular Structure of a Gene, VMA1, Encoding the Catalytic Subunit of H+-Translocating Adenosine Triphosphatase from Vacuolar Membranes of Saccharomyces cerevisiae. J Biol Chem 265: 6726-33.

Kane PM Yamashiro CT, Wolczyk DF, Neff N, Goebl M, Stevens TH (1990) Protein splicing converts the yeast TFPI gene product to the 69-kD subunit of the vacuolar H(+)-adenosine triphosphatase. Science 250: 651-657.

Perler FB (1997) Perler FB, Xu M-Q and Paulus H (1997) Protein splicing and autoproteolysis mechanisms. Curr Opin Chem Biol 1:292-299.

Perler FB (2002) InBase: the Intein Database. Nucleic Acids Res. 30: 383-384.

Pietrokovski S (1998) Modular organization of inteins and C-terminal autocatalytic domains. Protein Sci 7: 64-71.

Pietrokovski S (2001) Intein spread and extinction in evolution. TIG 17: 465-472.

Southworth MW, Benner J and Perler FB (2000). An alternative protein splicing mechanism for inteins lacking an N-terminal nucleophile. EMBO J. 19: 5019-5026.

 

Fonte: www.biologianaweb.com.br

 


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