Evolução e diversidade molecular da família de peptídeos antimicrobianos crustinas do camarão Litopenaeus vannamei

Abstract

As crustinas representam a maior e mais diversa família de peptídeos antimicrobianos (AMPs) descrita em crustáceos. Elas são classicamente definidas como peptídeos/polipeptídeos ricos em resíduos de cisteína contendo um típico domínio WAP (Whey Acidic Protein) na região C-terminal e são classificadas em cinco principais grupos, referidos como Tipos I a V. As crustinas são diversas em termos de estrutura primária, tamanho e características bioquímicas, exibindo, portanto, múltiplas funções biológicas que vão além de suas propriedades antimicrobianas. O presente estudo buscou dimensionar a diversidade molecular, transcricional e genética de crustinas de Litopenaeus vannamei, espécie de camarão mais cultivada no mundo. Inicialmente, foi explorada a diversidade das crustinas mais abundantes e diversas em camarões peneídeos (Tipo II) (Capítulo 1). Foram caracterizadas, pela primeira vez, crustinas do Tipo IIb em uma espécie de camarão ocidental e comparadas em nível molecular, transcricional e genético com crustinas do Tipo IIa. Embora codificadas por genes distintos, ambas apresentaram organizações genômicas, características bioquímicas e perfis transcricionais similares. As análises in silico levaram, ainda, à identificação de assinaturas moleculares específicas que definem os Tipos IIa e IIb em camarões e proveram evidências de que essas moléculas evoluíram a partir de um gene ancestral comum. Para estudar a diversidade das crustinas de maneira mais ampla e explorar a existência de novos membros, buscas sistemáticas foram realizadas no recém-publicado genoma de L. vannamei (Capítulo 2). As sequências foram prospectadas através de múltiplas abordagens in silico que culminaram com a identificação de 61 genes, incluindo crustinas que não foram ainda descritas. As análises de bioinformática revelaram que as crustinas de L. vannamei são bioquimicamente diversas e apresentam uma extensa variedade de organizações genômicas, cuja diversidade deriva, possivelmente, de um extensivo processo de expansão gênica que remonta, pelo menos, a espécies ancestrais da família Penaeidae. Ademais, a identificação de novas crustinas denunciou uma clara fragilidade dos atuais sistemas de classificação que parecem não abarcar a real diversidade molecular dessa família de AMPs e ressaltou a necessidade de um novo modelo, baseado em assinaturas moleculares específicas. Esses achados fornecem uma importante contribuição para a compreensão do sistema imune de camarões e oferece subsídios para estudos futuros que visem o controle de enfermidades nos cultivos.

Abstract: Crustins represent the largest and most diverse family of antimicrobial peptides (AMPs) described in crustaceans. They are classically defined as cysteine-rich peptides/polypeptides containing a typical WAP (Whey Acidic Protein) domain at C-terminal region and are classified into five main groups, referred to as Types I to V. Crustins are diverse in terms of primary structure, size and biochemical features, thus exhibiting multiple biological functions that go beyond their antimicrobial properties. The present study aimed to estimate the molecular, transcriptional and genetic diversity of crustins from Litopenaeus vannamei, the most cultured shrimp species worldwide. Firstly, the diversity of the most abundant and diverse crustins in penaeid shrimp (Type II) was explored (Chapter 1). For the first time, Type IIb crustins were identified and characterized in a western shrimp species and compared at the molecular, transcriptional and genetic level with Type IIa crustins. Although encoded by distinct genes, both crustins showed similar genomic organizations, biochemical features and transcriptional profiles. In silico analyzes have also shown that each sub-type displays specific amino acid signatures and provided evidence that these molecules evolved from a common ancestral gene. To further study the crustin diversity and explore the existence of novel crustins members, searches were carried out on recently published genome of L. vannamei (Chapter 2). The sequences were retrieved using multiple in silico approaches that led to the identification of 61 genes, including crustins that have not yet been described. Bioinformatics analyzes revealed that L. vannamei?s crustins are biochemically diverse and exhibit a broad variety of genomic organizations. The diversity observed among coding genes was possibly associated to an extensive process of gene expansion that traces back, at least, to ancestral species of the Penaeidae family. Furthermore, the identification of novel crustin members revealed a clear weakness of the current classification systems, which seemly do not embrace the real molecular diversity of this family of AMPs and highlighted the need for a new model, based on specific molecular signatures. These findings provide an important contribution to the understanding of the shrimp immune system and offer subsidies for future studies aiming the control of diseases in shrimp farming.