Mecanismos de adaptación de Saccharomyces cerevisiae a la alcalinización ambiental

Abstract

En este trabajo hemos abordado el estudio de la respuesta a estrés alcalino de S. cerevisiae utilizando como herramientas principales dos técnicas de análisis a gran escala. Por un lado, hemos realizado un análisis mediante microarrays de DNA de la respuesta transcripcional a estrés alcalino y, por otro, hemos utilizado una biblioteca de más de 4800 mutantes para identificar genes esenciales para la supervivencia a pH alcalino. Todo ello nos ha permitido identificar nuevos aspectos en la respuesta y en la adaptación de dicha levadura a estrés alcalino. <br/>En primer lugar, partiendo de la identificación de ENA1 y PHO89 como genes regulados por pH alcalino cuya expresión es dependiente de calcineurina hemos establecido una relación entre la respuesta a pH alcalino y la vía de señalización de calcio/calcineurina. Demostramos que la alcalinización extracelular estimula el transporte de calcio desde el exterior dando lugar a un incremento en los niveles citoplasmáticos de este catión. Esta señal es la que desencadena la activación de la fosfatasa calcineurina, cuya acción principal, aunque no la única, es activar la expresión de una serie de genes implicados en la resistencia a pH alcalino. <br/>Por otro lado, los resultados de microarrays indican que el estrés alcalino induce la transcripción de varios de los genes implicados en la obtención de fosfato y en el metabolismo de hierro y cobre. A su vez, el análisis de mutantes revela que tanto la integridad de elementos del regulón PHO como la del transporte de metales es esencial para la supervivencia en medio alcalino. Todo ello sugiere que la alcalinización medioambiental genera una situación de escasez de estos iones.<br/>Asimismo hemos demostrado que la alcalinización extracelular provoca un incremento intracelular de ROS (o especies reactivas de oxígeno), lo que genera una situación de estrés oxidativo capaz de activar un conjunto de genes a través de los mecanismos específicos de respuesta a estrés oxidativo. <br/>Por último, hemos descubierto una implicación de la vía de la integridad de la pared celular (CWI) en la respuesta a estrés alcalino. Hemos descrito que la ausencia de varios elementos implicados en dicha vía, como el sensor Wsc1 o las quinasas Bck1 y Slt2, da lugar a un fenotipo de sensibilidad a pH alcalino. Además, confirmamos que este estrés provoca la activación de Slt2, la MAPK de la vía CWI, y que el sensor de la vía más relevante en dicha activación es Wsc1. Por otro lado, el estudio de la respuesta transcripcional a pH alcalino de un mutante slt2 sugiere que esta quinasa es responsable de una parte de la respuesta transcripcional y que, probablemente, la alcalinización extracelular tiene efectos sobre la estructura de glucanos de la pared celular.<br/>La conclusión final que se extrae de todos nuestros resultados es que la alcalinización medioambiental da lugar a una respuesta adaptativa que no es el resultado de la activación de una única vía de señalización específica para pH alcalino, sino que es el producto de activar diversas vías encaminadas a paliar las variadas alteraciones producidas por el estrés alcalino.

In this work we have studied the response to alkaline stress in the yeast Saccharomyces cerevisiae. To this end we have used mainly two high throughput analysis tools. First, we have performed an exhaustive analysis of the transcriptional response of this yeast to this kind of stress. In addition, we have used a mutant library, composed of more than 4800 mutants, in order to identify genes whose lack cause a growth defect in alkaline conditions. <br/>First we have identified ENA1 and PHO89 as two genes overexpressed under alkaline conditions whose response to this stress was partially or totally dependent, respectively, on the phosphatase calcineurin. This represents the first evidence about the existence of a relationship between the alkaline response and the calcium/calcineurin signaling pathway. Further analyses have also demonstrated that extracellular alkalinization stimulates the import of calcium from the medium provoking a rise in the intracellular levels of this cation. This increment of calcium activates the calcineurin which functions, at least in part, promoting the expression of a set of genes involved in the tolerance to alkali.<br/>In addition, the microarray data has shown that the alkaline stress induces the transcription of some of the genes involved in the phosphate uptake and in iron and copper metabolism. Besides, mutant analysis has revealed that the integrity of elements of the regulon PHO and that proper system to transport the mentioned metals are essential for the survival under alkaline conditions. Taken together, these evidences suggest that alkalinization of the environment leads to a situation of starvation of these anions.<br/>We also have demonstrated that alkaline pH increments intracellular ROS (reactive oxygen species) that, in turn, cause an oxidative stress situation that activates the transcription of a subset of genes involved in the defense to oxidation.<br/>Finally, we have reported a relationship between the cell wall integrity (CWI) pathway and the alkaline response. Cells lacking some proteins previously related to this pathway, such as the Wsc1 sensor or the Bck1 and the Slt2 kinases, are hypersensitive to alkaline stress. We also have confirm that alkaline stress causes the activation of Slt2, the MAPK of the CWI pathway, and that Wsc1 is the major sensor involved in this activation. In addition, a study of the transcriptional response to alkali in a slt2 mutant has shown that this kinase is involved in the global transcriptional response to alkaline stress.<br/>The final conclusion that can be extracted from all the data presented here is that the alkalinization of the ambient triggers an adaptive response that results from the activation of multiple cellular pathways.