CATEGORIZAÇÃO FUNCIONAL DE SEQUÊNCIAS EXPRESSAS ENVOLVIDAS NA DEFESA DO CAFEEIRO A DOENÇAS 1 - PDF
CATEGORIZAÇÃO FUNCIONAL DE SEQUÊNCIAS EXPRESSAS ENVOLVIDAS NA DEFESA DO CAFEEIRO A DOENÇAS 1
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1 CATEGORIZAÇÃO FUNCIONAL DE SEQUÊNCIAS EXPRESSAS ENVOLVIDAS NA DEFESA DO CAFEEIRO A DOENÇAS 1 Samuel Mazzinghy Alvarenga 2 ; Eveline Teixeira Caixeta 3 ; Eunize Maciel Zambolim 4 ; Laércio Zambolim 5, Ney Sussumu Sakiyama 6 1 Trabalho financiado pelo Consórcio Brasileiro de Pesquisa e Desenvolvimento do Café CBP&D/Café e pela FINEP 2 Estudante de Doutorado, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa-MG, 3 Pesquisadora, D.Sc., Embrapa Café, Brasília-DF, autor para correspondência 4 Pesquisadora, D.Sc., Universidade Federal de Viçosa, Viçosa-MG, 5 Professor, PhD., Universidade Federal de Viçosa, Viçosa-MG, 6 Professor, D.Sc., Universidade Federal de Viçosa, Viçosa-MG, RESUMO: O entendimento dos mecanismos de defesa e da interação do cafeeiro com patógenos pode ser útil no desenvolvimento de novas alternativas para um controle eficiente das doenças. Tem sido demonstrado, em diferentes espécies de plantas, que genes R, responsáveis pelo reconhecimento dos patógenos, apresentam domínios conservados, como NBS (Nucleotide Binding Site) e LRR (Leucine Rich Repeat). Dessa forma, nesse trabalho, seqüências do Projeto Brasileiro do Genoma Café, previamente identificadas como contendo domínios NBS e LRR, foram funcionalmente categorizadas. A categorização foi realizada em 140 EST-contigs, sendo que 99 foram classificados em pelo menos uma das categorias funcionais do Gene Ontology. Essa categorização permitiu associar os produtos preditos das EST-Contigs com os processos biológicos que incluíram resposta de defesa e apoptose e com funções moleculares como ligação a nucleotídeo e atividade de transdutor de sinais. Esses e outros termos encontrados são comprovadamente relacionados com a atuação de genes de resistência no mecanismo de defesa da planta. Palavras-Chave: Genoma, in silico, mineração de dados, anotação, ESTs, classificação funcional. FUNCTIONAL CATEGORIZATION OF COFFEE DEFENSE-RELATED EXPRESSED SEQUENCES TO DISEASES ABSTRACT: Understanding defense mechanisms and interaction between coffee and its pathogens may be useful in developing novel alternatives for an efficient control of diseases. It has been verified, in different plant species, that R genes, responsible for pathogens recognition, show conserved domains as NBS (Nucleotide Binding Site) and LRR (Leucine Rich Repeat). In this work, sequences from the Brazilian Coffee Genome Project, previously identified as NBS and LRR-containing domains, have been functionally categorized. Categorization was performed in 140 EST-Contigs, of which 99 were classified in at least one of the Gene Ontology functional categories. This categorization permitted to associate the EST-Contigs predicted products with biological processes including defense response and apoptosis and with molecular functions such as nucleotide binding and signal transducer activity. These and other terms found are proved to be related to the action of disease resistance genes in the plant defense mechanism. Key words: Genome, in silico, data mining, annotation, ESTs, functional classification. INTRODUÇÃO O café, um dos produtos de exportação mundial mais importante, tem a sua produção freqüentemente afetada por doenças que ocorrem durante praticamente todo o seu ciclo. Visando minimizar esse problema, os pesquisadores investem na obtenção de diferentes estratégias de controle. O entendimento dos mecanismos de defesa e da interação do cafeeiro com patógenos pode ser útil no desenvolvimento de novas alternativas para um controle eficiente, incluindo o aumento da durabilidade da resistência nas variedades a serem obtidas no melhoramento genético. Quanto maior o conhecimento dos fatores que determinam a resistência, mais eficaz poderá ser o controle da doença (Silva et al., 2006). Uma das formas de defesa da planta envolve a detecção de moléculas do patógeno (elicitores, produtos dos genes Avr) por proteínas de resistência (produtos dos genes R) da planta. Essa interação raça-específica leva à ativação de uma cascata de sinais, resultando numa resposta de defesa que limitará o desenvolvimento do patógeno na planta (Delledonne, 2005). A maioria dos genes R, conhecidos até o momento, codifica proteínas com um domínio N-terminal variável, seguido por um sítio de ligação de nucleotídeo (NBS Nucleotide Binding Site) e uma região rica em leucina (LRR Leucine Rich Repeat). Na estrutura do domínio LRR as repetições de leucina supostamente se ajustam e formam uma folha βparalela exposta ao solvente (Kobe e Deisenhofer, 1995). Como é exposta ao solvente, a superfície hipervariável poderia facilitar a interação da proteína R com o seu fator Avr (elicitor) relacionado e poderia fornecer diferentes
2 especificidades de reconhecimento para fatores Avr alterados (Parniske et al., 1997). De fato, em vários sistemas plantapatógeno, a variação da seqüência na região LRR, particularmente na estrutura fita β/volta β, tem mostrado ser responsável por diferentes especificidades de reconhecimento ou de resistência (Parniske et al., 1997; Thomas et al., 1997; Botella et al., 1998; Wang et al., 1998; Ellis et al., 1999). O domínio NBS compartilha uma homologia com as regiões NBS dos produtos dos genes CED4 de Caenorhabditis elegans e dos genes Apaf-1, FLASH, CARD4 e Nod1, que estão envolvidos na imunidade natural e na apoptose em animais (Saraste et al., 1990; Li et al., 1997; Van Der Biezen e Jones, 1998; Aravind et al., 1999). Essa homologia sugere um mecanismo conservado de morte celular programada em plantas e animais, inclusive em mamíferos. Os domínios NBS também são encontrados em muitas famílias de proteínas, incluindo as do grupo RAS, ATPases, fatores de elongação e proteínas G (Saraste et al., 1990). Essas proteínas servem como chaves moleculares e são importantes para muitos eventos celulares eucarióticos fundamentais, como crescimento celular, diferenciação, organização do citoesqueleto, transporte de vesículas, apoptose e defesa (Van Der Biezen e Jones, 1998, Aravind et al., 1999; Bourne et al., 1991). Em café, foram identificadas várias ESTs (Expressed Sequence Tags) relacionadas com proteínas de resistência da classe NBS-LRR homólogas a genes de outras espécies de plantas (Noir et al., 2001; Fernandez et al., 2004; Guzzo, 2004; Lin et al., 2005 e Alvarenga, 2007). Isso demonstra uma conservação nas vias de sinalização e nos mecanismos de defesa do cafeeiro em relação a outros hospedeiros estudados. O Projeto Brasileiro do Genoma Café consistiu no sequenciamento em larga escala de seqüências expressas e gerou um banco de dados de ESTs (Vieira et al., 2006). Posteriormente, foi realizado o processo de anotação, no qual as ESTs foram associadas, juntamente com suas informações de expressão, com suas possíveis funções biológicas. Atualmente, este banco de dados está sendo usado como base para estudos de genômica funcional por vários grupos de pesquisa. Com o intuito de identificar fatores genéticos determinantes e/ou associados com a resistência do cafeeiro a doenças, Alvarenga (2007) realizou uma análise in silico das seqüências geradas pelo Projeto. Neste trabalhou, foram identificadas seqüências relacionadas com o processo de defesa da planta contra doenças como, por exemplo, quitinase, proteína quinase, citocromo P450, proteína de resistência a doenças, proteína relacionada com patogênese, proteínas com domínio LRR e NBS, proteínas induzidas por hipersensibilidade, entre outras. Uma das estratégias de mineração dos dados consistiu em identificar palavras-chave correspondentes a termos relacionados aos mecanismos de resistência de plantas a patógenos e utilizá-las como iscas para a obtenção das seqüências. Com o auxílio de ferramentas disponíveis na plataforma de bioinformática desenvolvida pelo Laboratório de Genômica e Expressão (LGE), disponível no site <http://www.lge.ibi.unicamp.br/cafe/>, foram identificadas ESTs relacionadas a cada uma destas palavras. As seqüências obtidas foram depositadas no sistema de gerenciamento e manipulação de seqüências, o Gene Projects. Cada conjunto de ESTs obtido por meio de uma palavra-chave foi armazenado em pastas de trabalho chamadas projetos. Desta forma, cada projeto recebeu o nome de uma palavra-chave e armazena as ESTs a ela relacionadas (Alvarenga, 2007). Os 15 projetos criados foram: LRR, NBS, Resistance, Chitinase, Cytochrome P450, Glucanase, HSP (Heat Shock Protein), Thaumatin, Chalconesyntase, Hypersensitive, Pathogenesis, Polyphenoloxidase, Importin, Glucosyltransferase e Phytoalexin. As ESTs de cada projeto foram clusterizadas, formando os EST-contigs (Alvarenga, 2007). Com base nesses dados, o objetivo do presente trabalho foi analisar as seqüências dos projetos NBS e LRR e caracterizá-las funcionalmente. Uma categoria (ou classe) funcional se refere ao processo biológico, componente celular ou função molecular que o produto de um dado gene pode desempenhar. Essa categorização funcional possibilita incorporar informações importantes sobre os genes de resistência do cafeeiro, contribuindo para o entendimento de como eles atuam no processo de defesa da planta. MATERIAL E MÉTODOS Foram analisadas, nesse trabalho, as seqüências do Projeto Brasileiro do Genoma Café identificadas por Alvarenga (2007) como potenciais genes R e armazenadas em dois projetos: NBS e LRR. O projeto NBS é constituído por 494 ESTs e o LRR por 825. As seqüências foram clusterizadas e os EST-contigs formados foram submetidos ao BlastX automático do Gene Projetcs, aplicativo disponibilizado pela plataforma de bioinformática LGE. Apenas os EST-contigs com e-value < e -20 e score > 100 foram selecionados para análise de anotação e caracterização funcional. Os EST-contigs selecionados foram submetidos ao programa Blast2GO (Conesa et al., 2005). Esse programa realizou um BlastX (via QBlast, que permite múltiplas análises simultâneas) de todas os EST-contigs contra o banco de dados nr do NCBI (National Center for Biotechnology and Information). O e-value máximo do melhor blast hit foi igual a 1e -10 e o tamanho mínimo do alinhamento (HSP length) foi de 33. Baseando-se no resultado do BlastX, o Blast2GO extraiu termos do Gene Ontology (GO) para cada EST-contig. As três categorias de termos designados eletronicamente foram Função Molecular, Processo Biológico e Componente Celular. Posteriormente, os EST-contigs foram submetidos ao InterProScan do EBI (European Bioinformatics Institute), visando identificar domínios conservados. O InterPro é um banco de dados que acumula informações sobre domínios, motivos e regiões conservadas nas proteínas e famílias de proteínas disponibilizadas por outros bancos de dados que incluem PROSITE, PRINTS, ProDom, Pfam, SMART, TIGRFAMs, PIRSF, UPERFAMILY e PANTHER. A última etapa do programa consistiu na anotação de ECs (Enzyme Codes) e busca de mapas metabólicos do KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) para as EST-contigs.
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Após verificada a redundância entre as seqüências, foram obtidas 826 ESTs, que após a clusterização resultaram em 160 EST-Contigs e 243 singlets. Desses EST-Contigs, 140 apresentaram score > 100 e e-value < e -20. A maior parte dos 140 EST-contigs foi formada por dois e três ESTs (Figura 1). O tamanho dos EST-contigs formados variou de 469pb (EST-Contig 49: Putative NBS-LRR type disease resistance protein, de Prunus persica) a 3281pb (EST-Contig 50: Putative leucine-rich repeat transmembrane, putative protein kinase, de Gossypium hirsutum). Figura 1 Distribuição do número de ESTs nos 140 EST-contigs com e-value < e-20 e score > 100 formados pela clusterização. Os EST-contigs apresentaram similaridade com proteínas de resistência a doenças, proteínas NBS-LRR, proteínas quinases, dentre outras. Os domínios conservados encontrados incluíram pfam00931(nb-arc domain), COG4886 (Leucine-rich repeat LRR protein), cd00116 (LRR_RI, Leucine-rich repeat, ribonuclease inhibitor (RI)-like subfamily), smart00220 (S_TKc, Serine/Threonine protein kinases), pfam01582 (TIR domain), entre outros. O domínio LRR possui, entre outras funções, a de facilitar a interação da proteína R com o seu fator Avr (elicitor) relacionado, podendo fornecer diferentes especificidades de reconhecimento para fatores Avr alterados (Parniske et al., 1997). Em vários sistemas planta-patógeno, a variação da seqüência na região LRR, mostrou ser responsável por diferentes especificidades de reconhecimento ou de resistência (Parniske et al., 1997; Thomas et al., 1997; Botella et al., 1998; Wang et al., 1998; Ellis et al., 1999). Acredita-se que o domínio NBS participa da ativação dos componentes da transdução de sinais, levando a respostas de resistência patógeno-específicas (Aarts et al., 1998; Feys e Parker, 2000; Van Der Biezen et al., 2000). As espécies que mais apresentaram blast hits com similaridade aos EST-Contigs foram Vitis vinifera e Populus trichocarpa (Figura 2). Espécies do grupo Asterid I, como Solanum sp. e Lycopersicon sp., comprovadamente relacionados com o cafeeiro (Lin et al., 2005), também apresentaram um grande número de blast hits. O BlastX dos EST-contigs realizado por meio do Blast2GO resultou em hits com anotações NBS-LRR, CC-NBS-LRR, TIR-NBS-LRR, disease resistance protein, leucine-rich repeat transmembrane protein kinase, leucine-rich repeat receptor-like protein kinase, entre outras. A média do e-value dos 20 melhores hits de cada uma das EST-contigs submetidas a anotação do BlastX variou de e -5 a e -179 (Figura 3). A média do nível de similaridade dos 20 melhores hits variou de 43% a 99% (Figura 4). Esses dados mostram que os resultados obtidos na anotação são significativos, e, portanto, bastante confiáveis. Dos 140 EST-Contigs analisados, 89 foram anexadas a um domínio conservado. A análise no banco de dados do InterProScan permitiu encontrar similaridade com domínios como IPR (PF domínio NB-ARC), IPR (PF00560 domínio LRR), IPR (PTHR nucleotide-sugar transporter), IPR (PS50011 domínio proteína quinase), que possuem funções associadas ao processo de defesa da planta contra doenças. Não foram encontradas proteínas com atividade enzimática (nenhum EC anexado) ou mapas metabólicos (nenhum mapa KEGG anexado) para as EST-contigs.
4 VI Simpósio de Pesquisa dos Cafés do Brasil Figura 2 Espécies que apresentaram o maior número de Blast hits com as EST-Contigs. Figura 3 Distribuição do e-value médio dos 20 melhores hits de cada um dos 140 EST-contigs submetidos ao BlastX por meio do Blast2GO. Figura 4 Distribuição do valor de similaridade médio dos 20 melhores hits de cada um dos 140 EST-contigs submetidos ao BlastX por meio do Blast2GO. Quarenta e um EST-Contigs (29,28%) não obtiveram qualquer termo GO. Vinte e seis (18,57%) apresentaram apenas um termo, enquanto dois obtiveram 10 termos. A distribuição completa do número de termos GO por EST-Contig está apresentada na figura 5. Esse resultado mostra que grande quantidade de seqüências depositadas nos bancos de dados públicos ainda não possui um termo GO anexado.
5 Figura 5 Distribuição do número de termos GO (Componente Celular, Função Molecular e Processo Biológico) dos 140 EST-contigs selecionados para análise no Blast2GO. Dos termos anexados, a maioria foi inferida por anotação eletrônica (Figura 6). Como a maior parte das inferências de significado biológico para seqüências de DNA e proteína são feitas a partir de anotação eletrônica, é muito importante que o pesquisador faça uma análise detalhada em diversos bancos de dados biológicos específicos a fim de anexar a maior quantidade possível de informações antes de depositar sua seqüência em um banco de dados. Figura 6 Distribuição do EC (Evidence Code) para os blast hits dos EST-Contigs analisados. IEA = inferido a partir de anotação eletrônica. ISS = inferido a partir de similaridade de seqüência estrutural. RCA = inferido a partir de análise computacional revista. IPI = inferido a partir de interação física. IDA = inferido a partir de ensaio direto. IC = inferido por curador. NAS = declaração não-rastreável de autor. TAS = declaração rastreável de autor. ND = nenhum dado biológico disponível. IMP = inferido a partir de fenótipo mutante. IGI = inferido a partir de interação genética. Na categoria Componente Celular, nível 3, foram encontrados termos como intrínseco a membrana e membrana plasmática (Figura 7). Genes R conhecidos, como o Cf9 do tomate, que confere resistência a Cladosporium fulvum, codificam proteínas transmembranas, cuja região N-terminal extracelular é composta de um domínio LRR (Jones et al., 1994). Os termos encontrados na categoria Função Molecular incluíram atividade de transdutor de sinais, ligação a nucleotídeo, entre outros (Figura 8). A atividade de ligação de nucleotídeos tem sido relacionada ao domínio NBS, o qual apresenta função de ligação de ATP ou GTP em diversos organismos (Traut, 1994 e Saraste et al., 1990). Acreditase que a região N-terminal, juntamente com o domínio NBS, participa na ativação dos componentes da transdução de sinais levando a respostas de resistência patógeno-específicas (Aarts et al., 1998; Feys e Parker, 2000; Van Der Biezen et al., 2000). A categoria Processo Biológico apresentou termos como resposta de defesa, apoptose e via de sinalização de receptor transmembrana de proteína tirosina quinase (Figura 9). O gene Pto do tomate codifica uma proteína serina/treonina quinase que confere resistência às raças de Pseudomonas syringae que carregam o gene de avirulência AvrPto (Martin et al., 1993). Já o gene Xa21 (resistência a Xanthomonas oryzae) do arroz, codifica proteínas com um formato clássico de receptor-quinase, uma região LRR extracelular, uma região transmembrana e um domínio serina/treonina quinase citosólico (Song et al., 1995; Ellis e Jones, 1998).
6 CONCLUSÕES A informação gerada pela genômica é de grande importância para ampliar o conhecimento da interação plantapatógeno. A categorização permitiu associar os produtos preditos dos EST-Contigs com os processos biológicos que incluíram resposta de defesa e apoptose e com funções moleculares como ligação a nucleotídeo e atividade de transdutor de sinais. Desta forma, foi possível incorporar informações importantes sobre os genes de resistência e, conseqüentemente, enriquecer a anotação do genoma do cafeeiro. Esse estudo poderá contribuir para a compreensão da influência mútua entre os fatores de virulência dos patógenos e a resposta de defesa desencadeada pelo cafeeiro. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AARTS, N., METZ, M., HOLUB, E., et al. Different requirements for EDS1 and NDR1 by disease resistance genes define at least two R gene-mediated signaling pathways in Arabidopsis PNAS, v.95, n.17, p ALVARENGA, S. M. Caracterização de seqüências expressas do genoma café potencialmente relacionadas com a resistência a doenças. Universidade Federal de Viçosa. Viçosa, MG, p. ARAVIND, L. D., V. M, KOONIN, E. V. The domains of death: evolution of the apoptosis machinery. TiBS, v.24, n.2, p BOTELLA, M. A., PARKER, J. E., FROST, L. N., et al. Three genes of the arabidopsis RPP1 complex resistance locus recognize distinct Peronospora parasitica avirulence determinants Plant Cell, v.10, p BOURNE, H. R., SANDERS, D. A., MCCORMICK, F. The GTPase superfamily: conserved structure and molecular mechanism. Nature, v.349, n.6305, p CONESA, A.; GÖTZ, S.; GARCÍA-GOMEZ, J.M., et al. Blast2GO: a universal tool for annotation, visualization and analysis in functional genomics research. Bioinformatics. V.21, n. 18, p , DELLEDONNE, M. NO news is good news for plants. Curr. Opin. Plant Biol. V.8, p ELLIS, J., JONES, D. Structure and function of proteins controlling strain-specific pathogen resistance in plants. Curr. Opin. Plant Biol., v.1, p ELLIS, J. G., LAWRENCE, G. J., LUCK, J. E., et al. Identification of regions in alleles of the flax rust resistance gene L that determine differences in gene-for-gene specificity Plant Cell, v.11, n.3, p FERNANDEZ, D., SANTOS, P., AGOSTINI, C., et al. Coffee (Coffea arabica L.) genes early expressed during infection by the rust fungus (Hemileia vastatrix). Mol. Plant Pathol., v.5, n.6, p FEYS, B. J., PARKER. J. E. Interplay of signaling pathways in plant disease resistance. Trends in Genetics, v.16, n.10, p GUZZO, S. D. Aspectos bioquímicos e moleculares da resistência sistêmica adquirida em cafeeiro contra Hemileia vastatrix. Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de São Paulo, São Paulo, p. JONES, D. A., THOMAS, C. M., HAMMOND-KOSACK, K. E.,et al. Isolation of the tomato Cf-9 gene for resistance
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