The gene repertoire of the main cysteine protease of Trypanosoma cruzi, cruzipain, reveals four sub-types with distinct active sites
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Universidade Federal de Minas Gerais
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O repertório genético da principal cisteína protease do Trypanosoma cruzi , a cruzipaína, revela quatro subtipos com sítios ativos distintos
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Resumo
As cruzipaínas são as principais proteases de cisteína do tipo papaína do Trypanosoma cruzi , o protozoário parasita causador da doença de Chagas. Codificadas por uma família multigênica, estudos anteriores estimaram a presença de dezenas de cópias distribuídas por múltiplos cromossomos em diferentes cepas do parasita. Neste trabalho, descrevemos o repertório gênico completo da cruzipaína em três cepas do parasita, sua organização genômica e padrão de expressão ao longo do ciclo de vida do parasita. Além disso, analisamos as variações na sequência primária entre os diferentes membros da família, bem como as diferenças estruturais entre os principais grupos de cruzipaínas. Com base em inferências filogenéticas e nas posições dos resíduos cruciais para a função e especificidade da enzima, propomos a classificação das cruzipaínas em duas famílias (I e II), cujos genes estão distribuídos em dois ou três agrupamentos separados no genoma do parasita, de acordo com a cepa. A Família I compreende cópias quase idênticas à cruzipaína 1/cruzaína previamente caracterizada, enquanto a Família II abrange três subtipos estruturalmente distintos, denominados cruzipaína 2, cruzipaína 3 e cruzipaína 4. Dados de RNA-seq derivados da cepa CL Brener indicam que os genes da Família I são expressos principalmente por epimastigotas, enquanto tripomastigotas expressam principalmente genes da Família II. Diferenças significativas nos sítios ativos entre os subtipos da enzima também foram identificadas, o que pode desempenhar um papel na seletividade de substrato e impactar sua inibição por pequenas moléculas.
Abstract
Cruzipains are the main papain-like cysteine proteases of Trypanosoma cruzi, the protozoan parasite that causes Chagas disease. Encoded by a multigenic family, previous studies have estimated the presence of dozens of copies spread over multiple chromosomes in different parasite strains. Here, we describe the complete gene repertoire of cruzipain in three parasite strains, their genomic organization, and expression pattern throughout the parasite life cycle. Furthermore, we have analyzed primary sequence variations among distinct family members as well as structural differences between the main groups of cruzipains. Based on phylogenetic inferences and residue positions crucial for enzyme function and specificity, we propose the classification of cruzipains into two families (I and II), whose genes are distributed in two or three separate clusters in the parasite genome, according with the strain. Family I comprises nearly identical copies to the previously characterized cruzipain 1/cruzain, whereas Family II encompasses three structurally distinct sub-types, named cruzipain 2, cruzipain 3, and cruzipain 4. RNA-seq data derived from the CL Brener strain indicates that Family I genes are mainly expressed by epimastigotes, whereas trypomastigotes mainly express Family II genes. Significant differences in the active sites among the enzyme sub-types were also identified, which may play a role in their substrate selectivity and impact their inhibition by small molecules.
Assunto
Trypanosoma cruzi, Doença de chagas, Cisteína proteases, Genes
Palavras-chave
Computational biology and bioinformatics, Proteases
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Endereço externo
https://www.nature.com/articles/s41598-021-97490-2