Utilização da genômica comparativa na busca por adaptações de leveduras do gênero Metschnikowia à vida em baixas temperaturas
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Comparative genomics on the search for adaptations of Metschnikowia genus yeasts to life at low temperatures
Primeiro orientador
Membros da banca
Aristóteles Góes Neto
Arthur Gruber
João Luís Reis Cunha
Priscila Grynberg
Arthur Gruber
João Luís Reis Cunha
Priscila Grynberg
Resumo
O gênero Metschnikowia compreende espécies de leveduras ascomicetas encontradas nos
mais diversos ambientes. Além das espécies florícolas, associadas principalmente a flores efêmeras
da família Convolvulacea e seus polinizadores, há também espécies aquáticas, que vivem em
associação com algas e eventualmente parasitam microcrustáceos. Entre as várias espécies de
Metschnikowia, M. bicuspidata é a mais difundida, sendo encontrada em praticamente todos os
oceanos e alguns lagos temperados. M. australis foi por muito tempo considerada apenas uma
linhagem de M. bicuspidata, mas atualmente é classificada como uma nova espécie. Apesar de
próximas, a taxa de fertilidade em cruzamentos entre as duas espécies é muito baixa e, além disso,
M. australis tem sua distribuição confinada aos mares antárticos, região onde M. bicuspidata ainda
não foi encontrada. Apesar de tanto M. bicuspidata quanto M. australis serem tolerantes ao
congelamento, M. australis apresenta uma melhor capacidade de crescimento em baixas
temperaturas, como mostramos nesse estudo. Também investigamos os genomas destas leveduras
em busca dos elementos que poderiam estar associados à sobrevivência ao congelamento e a outras
características para crescimento em ambientes frios. Para isso, utilizamos genomas públicos de
leveduras do gênero Metschnikowia e também sequenciamos e montamos o genoma de M.
australis, isolada pelo ProjetoMycoAntar. Os genomas foram submetidos a um pipeline de
predição e anotação, e foram realizadas análises comparativas para a elucidação da relação das
Metschnikowia marinhas e as demais representantes do gênero. Observa-se que M. australis e M.
bicuspidata apresentam mais genes de tRNAs, menor conteúdo de repetições, menos CDSs preditas
e menor densidade gênica que as demais leveduras do clado aquático e que a média das
Metschnikowia. As análises filogenômicas, realizadas utilizando 1317 sequências de proteínas
preditas a partir de genes ortólogos de cópia única compartilhados entre os genomas, confirmaram
a proximidade entre M. australis e M. bicuspidata e a separação entre o clado aquático e o florícola.
Foi também desenvolvida uma estratégia de rede para a visualização dos conjuntos de genes
ortólogos compartilhados entre os genomas, que evidencia expansões parálogas exclusivas do
clado aquático, compartilhadas entre M. australis e M. bicuspidata, e alguns conjuntos de parálogos
exclusivos de cada um destes genomas, que podem estar associadas à tolerância ao congelamento
ou à outras características dos nichos ocupados por estas leveduras. Mais de 70% destas CDSs
parálogas e outras CDSs de genes cópia-única não puderam ser anotadas por não possuírem
similaridade com sequências conhecidas, podendo se tratar de genes exclusivos desses organismos. Os genes ortólogos também foram utilizados para estimar o tempo de divergência entre M. australis
e M. bicuspidata, posicionando a especiação destas dentro da janela de glaciação do continente
Antártico. Finalmente, algumas sequências codificadoras (CDSs) exclusivas de M. australis, ou
parcialmente compartilhadas com M. bicuspidata foram submetidas a diferentes classificadores de
proteínas anticongelantes para a seleção dos melhores candidatos para futuros ensaios funcionais
relacionados à resistência ao frio. A expressão em baixas temperaturas desses genes candidatos a
anticongelantes foi analisada por RT-PCR. Verificamos que a maioria dessas CDSs é expressa em
M. australis na temperatura de 12˚C, mas não em M. bicuspidata. Análises funcionais futuras
deverão comprovar o envolvimento desses genes com a capacidade de tolerância ao frio.
Abstract
The Metschnikowia genus comprises ascomycetous yeasts from diverse environments.
Besides the flower-associated species there are also aquatic species, macroalgae associated and
micro crustaceans’ parasites. M. bicuspidata, the most widespread, is found on almost every ocean
and many temperate lakes. Despite being freeze tolerant, M. bicuspidata is not present in the
Antarctic Ocean. M. australis, a closely related species, occupies its niche on these southern waters.
Also freeze tolerant, M. australis performs better at low temperatures, as we show in this study.
We have sequenced M. australis genome and investigated it together with M. bicuspidata and other
33 publicly available Metschnikowia genomes searching for freeze tolerance associated elements.
All genomes were predicted and annotated using the same pipeline, and 1317 common single copy
orthologous genes were used to reconstruct these yeasts phylogeny. We observed that M. australis
has a smaller genome, with less predicted coding sequences and repetitive content in comparison
to M. bicuspidata. We have also developed a homology-based network approach to visualize and
identify orthologous genes shared among genomes, which shows paralogous expansions shared by
M. australis and M. bicuspidata genomes and also exclusive to each organism, which may relate
to adaptions do cold environments. 247 M. australis exclusive CDSs were analyzed by 3 Antifreeze
protein classifiers to select the 16 most prominent candidates for in vivo detection. We found that
15 of those are expressed at 6 and 12˚C. Most have no similarity to any known gene, and future
analyses will be done to identify their influence in freeze tolerance.
Assunto
Bioinformática, Genômica, Metschnikowia, Regiões Antárticas
Palavras-chave
genômica comparativa, levedura, Antártica, Metschnikowia
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