Prions i Agregons com a Inhibidors de Start: una Via a l’Envelliment Cel·lular

Abstract

Saccharomyces cerevisiae és un model escaient per estudiar el procés d’envelliment a nivell cel.lular gràcies al seu mecanisme de divisió asimètrica. Fent una analogia amb l’envelliment en organismes superiors, on les cèl.lules somàtiques són pròpies de l’individu i envelleixen amb ell, mentre que les cèl.lules de la línia germinal són capaces de formar un nou individu i són virtualment immortals en la població, en S. cerevisiae podem diferenciar dos tipus de cèl.lules: les cèl.lules mare, que envelleixen i poden produir unes 20-30 cèl.lules filles, i les cèl.lules filles, que són capaces d’esdevenir mares i tornar a fer 20-30 cèl.lules filles més independentment de l’edat de la seva mare en el moment de néixer, excepte si la mare ja és molt vella. Per tant, en estudiar l’envelliment de les cèl.lules mare del llevat de gemmació podem aprendre molts dels mecanismes que condueixen l’envelliment cel.lular, especialment a nivell molecular. Entre les característiques que adquireixen les cèl.lules mare de llevat durant el procés d’envelliment, l’acumulació de dipòsits proteics insolubles, proteïnes carbonilades i agregats proteotòxics sembla jugar un paper molt important. Donada la seva preponderància també en organismes superiors, juntament amb les afectacions mitocondrials, ens interessava entendre la relació entre la presència d’aquests dipòsits proteotòxics i la maquinària de cicle cel.lular, especialment durant G1 sobre la Xarxa de Start. Sabem que les xaperones tenen un paper clau en Start per a executar l’entrada en el cicle cel.lular i, en ser segrestades per els agregats proteotòxics en cèl.lules envellides podrien ser causa directa de senescència replicativa. Per tal de comprovar aquesta hipòtesi, en primer lloc hem constatat que els agregats proteotòxics endarrereixen la progressió durant G1, aboleixen la coordinació entre velocitat de creixement i la mida crítica de Start, i redueixen fortament la longevitat de les cèl.lules del llevat. D’altra banda, mitjançant diferents aproximacions que permeten l’estudi de l’envelliment de les cèl.lules mare del llevat (algunes de les quals desenvolupades en aquest treball), hem observat que en els últims cicles de cèl.lules envellides es produeix un clar retard en la progressió durant G1, així com que la majoria de cèl.lules moren estant en aquesta fase del cicle cel.lular, quan en les cèl.lules mare joves aquesta fase és la més curta. Especialment rellevant en el nostre estudi, hem demostrat que el grau de disponibilitat de xaperones disminueix clarament en cèl.lules velles. Finalment, veiem que la superexpressió de l’activador del cicle cel.lular Cln3 allarga la longevitat de les cèl.lules, fins i tot si aquesta activació es fa sobre cèl.lules parcialment envellides prèviament com si ho fem sobre mutants d’algunes xaperones clau per a l’activació del cicle cel.lular. En resum, com a resultat de l’acumulació d’agregats proteotòxics en cèl.lules envellides, la pèrdua d’activitat xaperona arribaria a comprometre l’entrada en el cicle cel.lular i, així, podria explicar la pèrdua de capacitat proliferativa que té lloc durant el procés d’envelliment cel.lular.

Saccharomyces cerevisiae is a suitable model to study the aging process at the cellular level thanks to its mechanism of asymmetric division. Analogous to aging in higher organisms, which contain somatic cells that age with the individual and germline cells that are able to form a new individual and are virtually immortal in the population, in S. cerevisiae we can distinguish two types of cells: mother cells, which age and can produce 20 to 30 daughter cells, and daughter cells which are capable of becoming mothers and produce about 20-30 more daughter cells regardless of the age of the mother at birth, unless the mother is already very old). Therefore, studying mother cell aging in budding yeast can uncover many of the mechanisms that drive cell aging, especially at the molecular level. Among the features that mother cells acquire during aging, the accumulation of insoluble protein deposits, carbonylated proteins and proteotoxic aggregates is thought to play a very important role. As this seems to play a prominent role in higher organisms, along with mitochondrial affectations, we were interested in understanding the relationship between the presence of these proteotoxic deposits and the machinery of cell cycle, especially during G1 on the Start network. We know that chaperones play a key role at Start to trigger entry into the cell cycle and, by being hijacked by proteotoxic aggregates in aged cells, they could be a direct cause of replicative senescence. To test this hypothesis, we first assessed that proteotoxic aggregates delay G1 progression, abolish the coordination between growth rate and critical size at Start, and strongly reduce the longevity of yeast cells. On the other hand, using different approaches that allow to study aged mother cells of yeast (some of which developed in this work), we have found that there is a clear delay in G1 progression in the last cycles of aged cells, most cells dying within this cell cycle phase, when in young mother cells this is the shortest phase of the cell cycle. Especially relevant to our work, we have shown that availability of chaperones is remarkably lower in aged mother cells. Finally, we have seen that overexpression of the cell cycle activator Cln3 is able to extend cell longevity, even if this overexpression is triggered in partially aged cells or in cells lacking some key chaperones for the activation of the cell cycle. In summary, as a consequence of the accumulation of proteotoxic aggregates in aged cells, loss of chaperone activity would eventually compromise cell cycle entry and, therefore, would explain why cells lose their proliferative capacity during the aging process.