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Title: Organização e evolução da família gênica carboxilesterase em artrópodes
Advisor: Schama, Renata
Mesquita, Rafael Dias
Members of the board: Russo, Cláudia Augusta de Moraes
Valle, Denise
Mota, Fabio Faria da
Albano, Rodolpho Mattos
Miranda, Antônio Basílio de
Authors: Torres, André Luiz Quintanilha
Affilliation: Fundação Oswaldo Cruz. Instituto Oswaldo Cruz. Rio de Janeiro, RJ, Brasil
Abstract: A família gênica das carboxilesterases (CCEs) é muito diversa e, em insetos, está dividida em três principais classes. Duas classes, Detoxificantes e Processamento de hormônios e feromônios, contêm genes majoritariamente catalíticos envolvidos com o metabolismo de xenobióticos e degradação de moléculas de hormônios que sinalizam processos importantes como a ecdise. No entanto, alguns destes genes já foram implicados na resistência a organofosforados (OP) e carbamatos (CX) em diversas espécies artrópodes. A classe Desenvolvimento neuronal contém genes não catalíticos, com exceção do codificante para a enzima acetilcolinesterase que é alvo de OP e CX. Este gene também já foi implicado na resistência a inseticidas por insensibilidade do sítio alvo. Isso faz com que essa família seja importante no monitoramento e controle de insetos vetores e pragas agrícolas. Todos os membros possuem o domínio COesterase que é caracterizado pela dobra alfa/beta hidrolase que posiciona os três resíduos da tríade catalítica (Ser-Glu-His ou Ser-Asp-His) no fundo da cavidade de ligação com o substrato. Estes genes evoluíram por duplicação, em sua maioria por recombinação desigual, e por isso as cópias tendem a ficar dispostas em clusters no genoma. Nesse trabalho foram identificados 1299 CCEs homólogas em 36 espécies (33 de insetos) e foi observada uma média de 36 sequências por espécie. Ixodes scapularis (71) e P. humanus (17) possuem o maior e o menor número de CCEs, respectivamente. Outros vetores, como Cu. quinquefasciatus e Ae. aegypti, também apresentaram número acima da média. Os himenópteros possuem um um número menor de sequências em relação à média, exceto N. vitripennis. Sessenta e um por cento das sequências possuem os três resíduos catalíticos, 56% são secretadas, 34% intracelulares e 10% mitocondriais Regiões transmembranares foram encontradas em 27% das sequências. No total foram identificados 39 clados e, como esperado, em alguns casos, com o aumento da amostragem não houve suporte estatístico corroborando a classificação proposta por Oakeshott e colaboradores em 2010. A maior diferença em relação à classificação anterior foi observada para a classe Detoxificante. Esta possui clados contendo proteínas de espécies de uma mesma ordem taxonômica e não relacionadas funcionalmente, indicando que as duplicações ocorreram dentro das diferentes linhagens. Nessa classe, a maioria dos genes possui a tríade Ser-Glu-His e é endereçado para as três localizações celulares. Na classe Processadoras de hormônios e feromônios, as JHE também parecem ter evoluído independetemente em cada linhagem de inseto pois em lepidóteros, dípteros e hemípteros estes genes ficam em clados distintos. Na classe Desenvolvimento neuronal, diferente das outras duas, um número menor de duplicações gênicas para cada espécie é encontrado. Nesta classe, a presença de regiões associadas com o ancoramento na membrana em alguns membros sugere que houve fusão entre domínios transmembranares e o domínio COesterase ao longo da história evolutiva. Os resultados mostram que a classificação funcional é aplicável apenas para a classe Desenvolvimento neuronal. Para as outras duas classes os genes dentro das diferentes linhagens taxonômicas são mais próximos filogeneticamente indicando que a evolução da funcionalidade ocorreu separadamente em cada linhagem
Abstract: The carboxylesterase (CCE) gene family is very diverse and is divided into three main classes in insects. Two classes, Dietary/detoxification and Hormone/semiochemical processing are catalytic and contain genes mainly involved with xenobiotic metabolism and degradation of hormone molecules. However, some of these genes have been implicated in the resistance to organophosphorus (OP) and carbamates (CX) insecticides in several arthropod species. The Neurodevelopmental class contains non-catalytic genes, with the exception of the gene encoding the enzyme acetylcholinesterase that is the target of OP and CX. This gene has also been implicated in insecticide resistance due to mutations that affect insecticide binding. This fact makes CCE an important family in insecticide resistance monitoring and control of agricultural pests and insect vectors. All CCE members have a COesterase domain, characterized by an alpha/beta hydrolase fold that is responsible for correctly positioning the catalytic triad (Ser-Glu-His or Ser-Asp-His). The genes in this family evolved by duplication, usually by unequal crossing-over, so the copies tend to be arranged in clusters in the genome. In this work 1299 CCEs were identified in 36 species (33 insects) and an average of 36 sequences per species was observed. Ixodes scapularis (71) and P. humanus (17) have the highest and lowest number of CCEs, respectively. Other insect vectors such as Cu. quinquefasciatus and Ae. aegypti, also showed an increased CCE number. Hymenoptera have a deficit in the number of sequences except N. vitripennis. Sixty one percent of the sequences have catalytic residues, 56% are secreted, 34% are intracellular and 10% are mitochondrial. Transmembrane regions were found in 27% of the sequences. In total, 39 clades were identified and, as expected, in some cases, inconsistencies when compared to Oakeshott et al classification in 2010 were found. In the dietary/detoxification class a taxonomic instead of functional classification seems to fit better the evolution of the genes found. In this class, most of the genes have the Ser-Glu-His triad and didn‘t show a specific celular localization. In the hormone/semiochemical processing class, the JHE also appear to have evolved independently on each insect lineage, lepidoteran, dipteran and hemipteran species are grouped in different clades. The Neurodevelopmental class, contrasting with the other two classes, showed a smaller number of genomic duplications for each species and functional relationship among its genes. In this class, the presence of membrane anchoring regions for some members suggests that transmembrane and COesterase domains were fused during the evolutionary history. The results show that the functional classification works only for the Neurodevelopmental class. However, for the other two classes the taxonomic group appears to be more important than the function of these genes for their classification.
DeCS: Carboxilesterase/classificação
Artrópodes/fisiologia
Resistência a Inseticidas
Controle de Insetos
Filogenia
Issue Date: 2013
Citation: TORRES, A. L. Q. Organização e evolução da família gênica carboxilesterase em artrópodes. 2013. 123f. Dissertação (Mestrado em Biologia Computacional e Sistemas) - Fundação Oswaldo Cruz, Instituto Oswaldo Cruz, Rio de janeiro, RJ, 2013
Date of defense: 2013-09-09
Place of defense: Rio de Janeiro/RJ
Department: Pós-Graduação em Biologia Computacional e Sistemas
Defense institution: Fundação Oswaldo Cruz. Instituto Oswaldo Cruz
Program: Programa de Pós-Graduação em Biologia Computacional e Sistemas
Copyright: open access
Appears in Collections:IOC - PGBCS - Dissertações de Mestrado

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