Evolution of I34 modifications in tRNAs and their role in proteome composition

Abstract

Inosine is a guanosine analogue that when is found at the wobble position of the tRNAs (I34) expands its codon recognition capability. Inosine can wobble pair with cytosine, adenosine and uridine. Because inosine is not genomically encoded, essential enzymes are responsible for the hydrolytic deamination of adenosine to inosine, specifically at the wobble position of the tRNAs. In Bacteria, the modification is mostly found in tRNAArg, catalysed by the homodimeric tRNA adenosine deaminase A (TadA), with a conserved active site coordinated with an atom of Zn+2. In Eukarya, the modification is present in up to eight different tRNAs, catalysed by the heterodimeric enzyme ADAT (ADAT2-ADAT3), which originally evolved from TadA by duplication and divergence. ADAT2 is considered the catalytic subunit because it conserves the active site, whereas ADAT3, which lacks one of the essential catalytic residues, is thought to play a structural role. This substrate expansion, significantly influenced the evolution of eukaryotic genomes in terms of tRNA gene abundance and codon usage. However, the selection pressures driving this process remain unclear. In this thesis, we characterize the human transcriptome and proteome in terms of frequency and distribution of ADAT-related codons. Human codon usage indicates that I34 modified tRNAs are preferred for the translation of highly repetitive coding sequences, suggesting that I34 is an important modification for the synthesis of proteins of highly skewed amino acid composition. Persuaded by these results we extend the analysis to a series of eukaryotic and bacterial organisms, spanning the whole tree of life. We find that the preference for codons that are recognized by I34-modified tRNAs, in genes with highly biased codon composition, is universal among eukaryotes, and we report that, unexpectedly, the bacterial phylum of Firmicutes shows a similar preference. We experimentally demonstrate that the Firmicute Oenococcus oeni presents a functional expansion of I34 modification to other tRNAs other than tRNAArg, and that this process likely starts with the emergence of unmodified A34-containing tRNAs. Our findings also indicate that several ancestral bacterial groups lack both TadA and A34-tRNAs, suggesting that these species never developed the machinery to generate I34- modified tRNAs. On the other hand limited sets of bacterial species have either lost the system secondarily, or expanded it to additional tRNA substrates. In Eukaryotes, we show that a large variability in the use of I34 can be found in protists, while the modification becomes fixed in Metazoa, Fungi and Plant kingdoms.

La inosina és un anàleg de la guanosina, que quan es troba a la posició 34 dels tRNAs, expandeix el nombre de codons que aquests tRNA són capaços de reconèixer. La inosina pot emparellar-se mitjançant wobbling amb citosina, adenosina i uridina. Degut que la inosina no està codificada al genoma, existeixen enzims essencials encarregats de la deaminar la adenosina a inosina específicament a la posició 34 dels tRNAs. Als organismes bacterians, aquesta modificació es troba principalment a tRNAArg i és catalitzada per l’enzim homodimeric tRNA adenosina desaminasa A (TadA), que disposa d’un centre actiu conservat. Als organismes eucariòtics, aquesta modificació és present en fins a vuit tRNAs diferents, catalitzada per l’enzim heterodimeric ADAT (ADAT2-ADAT3). Aquest enzim ha evolucionat a partir de TadA per duplicació i divergència. ADAT2 és considerat la subunitat catalítica, ja que conserva el centre actiu mentre que ADAT3 n’ha perdut un dels residus essencials i es considera que té un paper en el reconeixement dels substrats. L’expansió en el reconeixement de substrats entre TadA i ADAT ha influenciat significativament en la composició dels genomes eucariotes, particularment en l’abundància de gens de tRNA i en el biaix de la composició de codons. Tanmateix, les pressions selectives que condueixen aquests processos romanen desconegudes. En aquesta tesi, hem caracteritzat el transcriptoma i el proteoma humà respecte la freqüència i distribució de codons relacionats amb ADAT. Els nostres resultats indiquen que la composició de codons del transcriptoma humà està esbiaixada promovent una dependència en l’ús de I34, especialment en regions altament repetitives. Persuadits per aquests resultats, hem estès les nostres anàlisis a un conjunt d’organismes eucariotes i bacterians per tal de representar tot l’arbre de la vida. Hem comprovat que aquesta preferència per codons que són reconeguts per tRNAs amb I34 és generalitzada només als eucariotes, tot i que sorprenentment, també és present al fílum bacterià dels Firmicutes. Els nostres resultats també indiquen que alguns grups bacterians ancestrals no disposen de tRNAs amb A34 ni de l’enzim TadA, cosa que suggereix que aquestes espècies mai han desenvolupat la maquinària per generar tRNAs amb I34. Altres conjunts de bactèries indiquen tant la pèrdua secundària d’aquest sistema, com l’expansió a d’altres tRNAs. Hem demostrat experimentalment que Oenococcus oeni, pertanyent als Firmicutes, presenta altres tRNAs amb I34 a part del tRNAArg i que també presenta tRNA amb A34 no modificats. Entre els organismes eucariotes, els protists presenten una gran variabilitat en l’ús de tRNA amb I34, mentre que en Metazoa, Fungi i Plantae, tots els tRNAs amb I34 són presents.