A contribution of budding yeast to unravel aging. Entry into quiescence relies on the transceptor Mtl1 by sensing nutrients and regulation of signaling pathways

Abstract

Saccharomyces cerevisiae is a premier model system to study ageing in post mitotic cells. In this study, we show that Mtl1, member of the Cell Wall Integrity pathway (CWI), plays a positive role in Chronological Life Span (CLS). The absence of Mtl1 shortens CLS whereas its overexpression extends it. In mtl1 cells, we observe mitochondrial dysfunction during diauxic shift that is reflected in i) increase in uncoupled respiration associated to low oxygen consumption; ii) significant increase in mitochondrial membrane potential; iii) ROS (Reactive Oxygen Species) accumulation and as well as iv) a descent in aconitase activity. We demonstrate that this mitochondrial dysfunction observed in mtl1 mutant is a consequence of improper regulation of key signaling pathwaysrequired for entry in quiescence. TOR1/SCH9 deletion and less effectively PKA (Protein Kinase A) inactivation in mtl1 not only suppressed the mitochondrial defects but also increased the CLS. Mtl1 links mitochondrial dysfunction with TOR (Target of Rapamycin) and PKA pathways in quiescence. In the absence of Mtl1, the stability of the inhibitory subunit of PKA, Bcy1 is severely reduced, mainly as a consequence of a high PKA activity. Mtl1 regulates PKA inactivation through Bcy1 phosphorylation, both in diauxic conditions and mainly in response to glucose depletion. In these conditions, Mtl1 negatively regulates Tor1/Sch9 function to phosphorylate Bcy1 and thus to inhibit PKA through phosphorylation of Bcy1 by Slt2 MAPK, although additional kinases might be also involved in this signal. We also show that Mtl1 function in CLS does not totally depend on CWI pathway since mtl1slt2 double mutant presents synthetic lethality. Mtl1 acts as a glucose sensor thereby it regulates both NCR (Nitrogen Catabolite Repression) and RTG (Retrograde Response Mitochondrial- Nucleus) pathways through Snf1 kinase upon glucose depletion, although independent of TORC1 and PKA functions. Again, additional targets are not completely ruled out. In conclusion, Mtl1 is an efficient transceptor involved in sensing and signaling nutrient availability in quiescence, mainly glucose, and in regulating multiple pathways involved in life extension.

Saccharomycescerevisiae es un sistema modelo muy adecuado para el estudio de los procesos de envejecimiento en células posmitóticas. En el presente estudio se muestra que Mtl1, un miembro de la ruta de integridad celular (CWI), tiene una función positiva en el proceso de extensión cronológica de la vida (CLS). La ausencia de Mtl1 provoca un acortamiento de la CLS mientras que su superexpresión la prolonga. En el mutante mtl1 se observa una disfunción mitocondrial durante el shiftdiauxico, lo que se evidencia tras la observación de los siguientes parámetros: i) incremento de la respiración desacoplada ligado a un bajo consumo de oxígeno; ii) aumento significativo del potencial de membrana; iii) acumulación de ROS (Especies Reactivas de Oxígeno); así como iv) un descenso en la actividad de la aconitasa.Nosotros demostramos que la disfunción mitocondrial observada en el mutante mtl1ocurre como consecuencia de ladesregulación de las rutas de señalización que se necesitan para la correcta entrada en la fase de quiescencia. La delección de los genes TOR1 y SCH9 y con menor eficiencia la inactivación de PKA (Protein Quinasa A),suprimen los defectos mitocondriales de mtl1 y provocan un aumento sustancial de su CLS. Mtl1 es el nexo de unión entre la disfunción mitocondrial y las vías TOR (Target of Rapamycin) y PKA en la quiescencia. La estabilidad de Bcy1, una subunidad inhibitoria de PKA, está muy reducida en ausencia de Mtl1. Esta proteína regula la inactivación de la función PKA a través de la fosforilación de Bcy1 durante el shiftdiauxico y principalmente en respuesta a la depleción de glucosa. En ambas condiciones, Mtl1 regula negativamente a la función Tor1/Sch9, lo que activa a la MAP quinasa Slt2, la cual fosforila a Bcy1, hecho que inhibe la función PKA. Sin embargo, no se descarta la posibilidad de que otras quinasas estén también involucradas en este proceso. También se muestra que la función de Mtl1 en la CLS no depende totalmente de la ruta CWI puesto que los genes MTL1 y SLT2 presentan letalidad sintética en estas condiciones.Mtl1 actúa como un sensor de glucosa y como tal también regula la función de Snf1 en respuesta a la depleción de glucosa, y como consecuencia a los genes regulados por los sistemas NCR (Represión Catabólica Nitrogenada) y RTG (Respuesta Retrógrada Núcleo-Citoplasma), además, este proceso es independiente de TORC1 y PKA. En conclusión, Mtl1 es un transceptor que detecta y señaliza la disponibilidad de nutrientes (principalmente glucosa) en quiescencia para regular la función de múltiples vías de señalización relevantes para la extensión de la vida.

Saccharomyces cerevisiae és un sistema model molt adecuat pels procesos d’envelliment en cèl.lules postmitòtiques. En aquest estudi es demostra que Mtl1, un membre de la vía d’integritat cel.lular (CWI), té una funció positiva en el procés d’extensió cronológica de la vida (CLS). L’absència de Mtl1 redueix la CLS mentre que la seva sobre expressió l’allarga. En el mutant mtl1 s’observa una disfunció mitocondrial durant el shift diàuxic, que es fa evident al observar els següents paràmetres: i) increment de la respiració desacoplada unit a un baix consum d’oxígen; ii) augment significatiu del potencial de membrana; iii) acumulació de ROS (Espècies Reactives d’Oxígen); així com iv) un descens en l’activitat de l’aconitasa. Nosaltres demostrem que la disfunció mitocondrial observada en el mutant mtl1 succeeix com a conseqüència de la desregulació de les vies de senyalització necessaries per a la correcta entrada a la fase de quiescencia. La delecció dels gens TOR y SCH9 i amb menor eficàcia, la inactivació de PKA (Protein Kinasa A), suprimeixen els defectes mitocondrials de mtl1 i indueixen una augment significatiu de la seva CLS. Mtl1 es el nexe d’unió entre la disfunció mitocondrial i les vies TOR (Target of Rapamycin) y PKA en quiescència. L’estabilitat de Bcy1, una subunitat inhibitoria de PKA, està molt reduïda en absència de Mtl1. Aquesta proteïna regula la inactivació de la funció de PKA mitjançant la fosforilació de Bcy1 durant el shift diàuxic i principalment en resposta a la depleció de glucosa. En ambdues condicions, Mtl1 regula negativament la funció Tor1/Sch9, fet que indueix l’activació de la MAP quinasa Slt2, la qual fosforila a Bcy1, procés que inhibeix la funció PKA. No obstant, no es descarta la possibilitat de que altres quinases estiguin participant en aquest procés. També es mostra que la funció de Mtl1 en la CLS no depen totalment de la vía CWI, donat que els gens MTL1 y SLT2 presenten sintètica letalitat en aquestes condicions. Mtl1 actua con un sensor de glucosa i com a tal, també regula la funció de Snf1 en resposta a la depleció de glucosa, i en conseqüència als gens regulats pels sistemes NCR (Repressió Catabòlica Nitrogenada) y RTG (Resposta Retrògrada Nucli-Citoplasma), a més a més, aquest procés es independent de TORC1 y PKA. Concluïnt, Mtl1 es un transreceptor que detecta i senyalitza la disponibilitat de nutrients (principalment glucosa) en quiescència per a regular la funció de múltiples vies de senyalització rellevants per l’extenció de la vida.