A context-dependent interplay of translational fidelity and genome stability in Pseudomonas species

Abstract

Geneetilise informatsiooni edasiandmine rakkudes toimub kolmes etapis: DNA replikatsioonis, transkriptsioonis ja translatsioonis. Neist viimas käigus, kui ribosoom loeb geneetilist koodi ning sünteesib selle põhjal valke, tehakse enim vigu. Keskmiselt lisatakse kasvavasse polüpeptiidi vale aminohape umbes kord iga mõne tuhande aminohappe kohta, mis on ligi miljon korda sagedamini, kui tekivad vead DNA replikatsioonil. Pikka aega peeti selliseid eksimusi väheoluliseks, sest vigased valgud lagundatakse kiiresti. Kerkinud on aga küsimus, kas vead valgusünteesil võivad mõjutada ka genoomi stabiilsust ja seeläbi soodustada mutatsioonide teket. Senised teadmised selle seose kohta pärinevad peamiselt soolebakterist Escherichia coli. Uurimaks, kas samad põhimõtted kehtivad ka teistes bakterites, keskendus käesolev töö perekonnale Pseudomonas, mille esindajaid leidub nii mullas kui ka inimese organismis. Translatsiooni täpsust mõjutati kahel viisil: eemaldati tRNA-de korrektseks talitluseks vajalikud tRNA-d modifitseerivad ensüümid TruA ja RluA või siis muteeriti ribosomaalset valku uS5, mis osaleb valgusünteesil kriitilises õige ja vale koodoni äratundmise sammus. Tulemused näitasid ootamatult keerukat seost valgusünteesi ja genoomi stabiilsuse vahel. tRNA modifikatsioonide kadumine suurendas Pseudomonas putida mutatsioonisagedust viis korda, kuigi mõju translatsiooni täpsusele oli tagasihoidlik. Ka enamik uuritud uS5 mutante näitas kõrgemat mutatsioonisagedust, kuid kõige suuremate translatsioonihäiretega variant ei erinenud mutatsioonisageduse poolest metsiktüvest. Seega näib, et valgusünteesi täpsus ja genoomi stabiilsus on omavahel seotud, kuid mitte lihtsa põhjus-tagajärg seosena. Mutatsioonide kujunemist ei määra üksnes valgusünteesil tehtud vigade hulk, vaid oluline on ka nende tähendus ehk kontekst raku jaoks. Nii võib esmapilgul ajutisena tunduvast eksimusest valgusünteesil vallanduda püsiv muutus genoomis. Living cells transmit genetic information through three steps: DNA replication, transcription, and translation. The last step, in which the ribosome reads the genetic code and assembles proteins, is by far the noisiest. About one amino acid in every few thousand is misincorporated, a rate roughly a million times higher than that of DNA replication. These mistakes were long considered inconsequential, because the faulty proteins are quickly degraded. A more intriguing possibility has recently emerged: can mistakes in protein synthesis ultimately affect the stability of the genome itself? The little that is known about this link comes from the gut bacterium Escherichia coli. To test whether the same principles apply more broadly, this work focused on the genus Pseudomonas, a group of bacteria found in environments ranging from soil to the human body. Translation accuracy was disrupted either by removing the enzymes that chemically modify tRNAs (TruA and RluA) at positions critical for accurate decoding, or by introducing mutations in the ribosomal protein uS5, which helps determine how strictly the ribosome distinguishes correct from incorrect codon pairing. The findings revealed an unexpectedly intricate connection. Loss of tRNA modification raised the mutation rate of Pseudomonas putida five-fold, despite causing only modest changes in translation accuracy. Most of the uS5 mutants investigated had elevated mutagenesis, yet the variant with the strongest translation defect did not change the mutation rate at all. Together, these findings demonstrate that translation and genome stability are closely linked, but not in a simple cause-and-effect manner: the number of translation errors alone does not determine the mutational outcome. Instead, the specific types of errors and the cellular context determine whether a fleeting mistake during protein synthesis leaves a permanent mark on the genome.