Lessons from an Evolving rRNA: 16S and 23S rRNA Structures from a Comparative Perspective

1. Lessons from an Evolving rRNA: 16S and 23S rRNA Structures from a Comparative Perspective ROBIN R. GUTELL,I NIELS LARSEN, AND CARL R. WOESE Microbiological Reviews, Março de 1994 Edilene Andrade Rodrigo Lucena

2. Estrutura Molecular do rRNA • Estrutura tridimensional estável • Molécula unifilamentar → Molécula bifilamentar • Desenvolvimento do Modelo: • Exame da seqüência de nucleotídeos do rRNA de E. Coli e identificação das regiões que podem formar pares de bases. • Comparação das seqüências da E. Coli com as seqüências semelhantes dos rRNAs equivalentes de outros procariontes → regiões de pareamento conservadas • Tratamento dorRNA nas regiões de pareamento com ribonucleases.

3. Figura 1. rRNA 16S

4. Figura 2. rRNA 23S

5. Os RNAs biologicamente ativos adotam uma estrutura estática ou alostérica? • As dobras do RNA ocorrem de forma termodinâmica ou cinética? • As moléculas de RNA requerem moléculas auxiliares para modificar sua conformação? • Há um modelo para estabelecer a estrutura dos RNAs? As regiões conservadas no rRNA também são encontradas no tRNA ou vice-versa? • Que tipo de “máquina” é o ribossomo e quais são os seus mecanismos moleculares?

6. Análises Comparativas de Seqüências • Todos os RNAs parecem ser semelhantes em função → produção de proteínas • A estrutura tridimensional do rRNA é aproximadamente constante • Covariação de posição • Análises comparativas → estrutura de ordem superior • A freqüência e os modelos de mudança de um dado nucleotídeo em uma molécula são característicos de sua localização e podem ser comparadas entre diferentes organismos. • Justaposição das regiões de grande similaridade: seqüências homólogas (convergentes) contra similaridade estrutural (homologia).

7. Dados das Seqüências • Estrutras secundárias → Estruturas terciárias (poucas bases cujas composições podem variar e cujas interações não envolvem necessariamente pareamentos canônicos (Watson-Crick). • A primeira seqüência do rRNA 16S foi determinada em 1978 e hoje chega a 2.200. • A primeira seqüência rRNA 23S foi determinada em 1980 e hoje chega a mais de 250.

9. Pares G:U― parecem estar envolvidos em sítios de reconhecimento de enzimas. • Tipo não variante: sua composição é a mesma nos três domínios. Seqüências altamente conservadas. • Tipo dominante (D): realizam trocas recíprocas com pares canônicos, mas são predominantes nos rRNAs 16S em quase todos os grupos bacterianos. • (Eu) Bacteria: em 55% dos rRNAs 16S U:G é predominante (U:G ↔ G:U) • Archaea: G:U = U:G • Tipo incomum: raramente mudam de composição, mas quando a mudança ocorre é quase sempre U:G → C:A • Em 98% das (Eu) Bacteria o par 249:275 é constante (Fig. 3). • Par 1512:1523 ― torna-se C:A no Plasmodium fragile mas permanece U:G em outras espécies de Plasmodium (Fig. 4).

10. Figura 3

11. Figura 4

12. Figura 5. Grupo de pares G:U

13. Pares G:A― ocorrem tanto nas regiões terminais quanto no interior das hélices, em pares isolados ou em grupos contíguos. • Em todas as (Eu) Bacteria o par 1357:1365 está próximo de um loop de sete bases (Fig. 6). • As posições correspondentes ao par 1357:1365 formam pares canônicos apenas nos Archaea e em quase todos os Eucarya (Fig. 6). • A forma predominante é A:G → G:A ou A:A. • Nos Archaea a ocorrência dos pares G:A na região 665 é pronunciada, podendo conter até quatro pares (Fig. 7). • Outros pares ― G:G, A:A e Y:Y são raros. • Pares G:G ocorrem em todas as bactérias redutoras de sulfato (β e γ e algumas α e δ) e em outros grupos (Fig. 8). • O par U:U é predominante nos três domínios. Pode mudar para C:C, sua única forma alternativa (Fig. 8).

14. 1357 Figura 6 1365

15. Figura 16S canto esquerdo superior posição 663 a 665 Figura 7

16. Figura 8

17. Resíduos de Projeções Unilaterais― encontrados nos três domínios. • Resíduo 31: encontrado em todas as subunidades pequenas das (Eu) Bacteria mas não está presente nas Archaea (Fig. 9). • Resíduo 397: nas Archaea a base da posição correspondente sempre está pareada (Fig. 9). • Podem dobrar a hélice nas quais são encontrados

18. Resíduo 31 Resíduo 397 Figura 9

19. Resíduos de Projeções Bilaterais • No filo flavobacterial e nos Archaea as posições 1260:1275 exibem uma forte covariação (Fig. 10). • O par 1261:1274 exibe covariação apenas nos Archaea (Fig. 10). • O par 1262:1273 mostra uma forte covariação nas Archaea e em muitos filos (Fig. 10). • No rRNA 23S ocorre uma estrutura característica das (Eu) Bacteria que apresenta quatro pareamentos incomuns (Fig. 11).

20. 1262 1261 1260 1273 1274 1275 Figura 10

21. Figura 23S região 1852 a 1859 da página 15, parte esquerda superior Figura 11

22. Extensão Teminal das Hélices • As covariações entre as bases subterminais são evidentes em apenas alguns grupos de bactérias. • A covariação da posição 768:811 é evidente entre as bactérias, archaea e mitocôndrias (Fig. 12). • Nas posições 1258 até 1277 a composição pode ser R:R ou Y:Y e freqüentemente se alternam filogeneticamente (Fig. 13). • Posição 152:169 ― a covariação ocorre em todos os grupos de bactérias. Envolve conversões A:C ↔ G:U e outras combinações não canônicas (Fig. 14).

23. Figura 16S canto esquerdo superior posição 768 a 769 811 768 Figura 12

24. 1258 1277 Figura 13

25. Figura 14

26. Motivos interessantes na Estrutura Secundária • Posição 1308:1329 ― GGAU (Fig. 15) AAGU • Posição 25-29:511-515 do rRNA 23S ― UGGAU AAAGU Apenas o par U:A é variável (Fig. 16) • Um nucleotídeo extra após a posição 130 está relacionado com um aumento de três a nove pares no comprimento da hélice (184-186:191-193) (Fig. 17).

27. Figura 15

28. Figura 23S, página 14, posição logo abaixo de I Figura 16

29. 130 193 184 Figura 17

30. Interações terciárias: Pares únicos e elementos estruturais incomuns • Pares únicos • Pares individuais não são estáveis por si só. Mas podem fazer parte de algumas estruturas como uma estrutura coaxial helicoidal posição 245-283 (Figura 18). • Variações na composição de U:U – C:C em bactéria e archaea são vistas como transições filogeneticamente independentes entre os dois. U1307-U:1330 (Figura 19). Estes tipos de ligações são sustentadas por duas pontes de hidrogênio. • Existem também pares únicos de G:G nas posições 722 e 733 (Figura 20). Esta composição alterna exclusivamente com A:A, qual ocorre filogeneticamente independentes.

31. Figura 19 Figura 18 Figura 20

32. Interações terciárias: Pares únicos e elementos estruturais incomuns • Pares únicos • C:G na posição 47:361 em eubactérias; para U:A em todos spirochetas e G:A em todos os membros de planctomyces/chylmidia. A composição é uniforme G:C entre as archaeas e U:A para os eucaryotes (Figura 21). • A variação entre bactéria e archaea (438:496) é de U:A - G:G e é filogeneticamente independente (Figura 22). • As regiões em volta da posição 1400 e 1500 do 16S rRNA são consideradas as mais conservadas na biologia (Figura 23).

33. Figura 22 Figura 21

34. Figura 23

35. Uma provavel Tripla Covariância no 16S rRNA • As posições 440, 494 e 497 apresentam covariaça Entretanto de maneira menos acentuada que na estrutura secundaria (Figura 24). • Em bactérias púrpuras covariam as regiões 440 e 497 (Figura 24). • Já em cianobacterias as posições 440 e 494 covariam (Figura 24). • Ao redor destes pares existe uma ligação não canonical de pares (438:496). Isto indica a existência de um complexo de importantes interações estruturais e funcionais (Figura 24).

36. 494 440 497 438:496 Figura 24

37. Tetraloops • Possivelmente é a estrutura mais proeminente e de fácil reconhecimento no rRNA que se tem conhecimento. • Um loop de quatro nucleotídeos sustentados por dois pb ou mais. • Existem várias possibilidades para os 18 tetraloops encontrados no 16S rRNA e após testes com ressonância magnética nuclear, os tipos mais predominantes são: • Para início e fim: C----G, U----G e G----A; • No interior: UUCG, CUUG e GMAA (M = A ou C); e GCAA com R:Y. • Existe correlação: • C----G com UUCG e G----C com CUUG.

38. Tetraloops • O tetraloop 83 para o 86 é o mais variável de todos em 93% dos casos (Figura 25). • Possivelmente evoluíram de tri ou pentaloops intermediários por meio de inserções-deleções. Devem ter sofrido forte seleção pois existem mais de 4000 possibilidades. • Os tetraloops devem ter um papel importante nas interações existentes em todo o contexto do rRNA, certamente devem auxiliar no dobramento da estrutura.

39. (Figura 25).

40. Pseudoknots • Frequentemente são motivos do rRNA. • Interação entre bases dentro de um hairpin loop, um bulge loop e um capping loop. • No 16S rRNA existem 3 e no 23S, 15. • O pareamento 521-522:527-528 (Figura 26). no 16S rRNA é baseado em três exemplos filogeneticamentes independentes de mudança em mitocôndrias de Chlmydomonas reinhardtii; em dois nematódeos Caenorhabdits elegans e Ascaris suum; e no cogumelo Suillus sinuspaulianos • O os dois últimos pares de base do tetraloop 863 interagem com os da posição 570:571 proximo a uma hélice. Possui covariação U:C-G:R. • Isto sugere uma complexidade ainda maior (Figura 26).

41. 570:571 Outro Pseudoknot 521:222-527:528 Tetraloop Figura 26

42. Coaxial Helices • São hélices que possuem uma mesma haste de sustentação comum. • As hélices são importantes na comparação de grupos, pois podem variar em tamanho como, por exemplo, as hélices envolvendo as posições 500-504:541-545 e 511-515:536-540 (Figura 27). • Em Eubactéria as duas hélices possuem 5 e 7 pb, enquanto em Archaea e Eucarya possuem 6 pb cada.

43. Esquema Estão ligados Estão ligados Haste Comum Hélices (Figura 27).

45. Summary and Conclusions • As estruturas dos 16S e 23 S rRNA foram elucidadas utilizando-se métodos de análises comparativas. • Percebe-se que grande parte da seqüência estabelece a estrutura secundaria. • Entretanto a seqüência não é suficiente para determinar a estrutura terciária e função, pois o ribossomo interage com o rRNA. • A covariança de bases possivelmente promove uma proteção contra modificações químicas nas bases visinas. • Por meio destes estudos pode-se criar algorítimos para prever dobramentos estruturais e assim ter mais precisão na investigação das estruturas secundarias e terciarias. • A essência da função do ribossomo provavelmente envolve uma dinâmica movimentação do rRNA na estrutura. • Atraves da combinação de técnicas será possível produzir uma imagem do ribossomo funcionando.

46. Obrigado