mtDNA dynamics are a driving force of cell-to-cell heterogeneity in Saccharomyces cerevisiae

Abstract

Isogenic cells exhibit a large degree of cell-to-cell heterogeneity in proliferation, with a subpopulation of cells growing at a substantially lower rate. We conducted a high throughput microscopy screen to determine the proliferation distributions for a collection of wild isolates and 1592 single gene deletions in S. cerevisiae. We found that mitochondrial impairment is a primary cause of slow growth within an isogenic population and that high mitochondrial membrane potential is predictive of reduced growth and respiratory deficiency. We showed that respiratory deficiency can be recovered and that temporary respiratory deficiency is a common trait present in many genetic backgrounds. We developed a mathematical model that predicts the dynamics of the respiratory capacity of single cells within a population as a function of mtDNA state. Finally, we showed that growth in the antifungal agent fluconazole enriches for temporarily respiratory deficient cells, suggesting that this phenotype may be a form of bet-hedging in which a slow growing drug-resistant respiratory deficient cell with low mtDNA content can produce progeny with fast growth and fully functioning mitochondria.

Les cèl·lules isogèniques mostren un gran grau d' heterogenietat cel·lular en la seva taxa de proliferació, amb una subpoblació de cèl·lules creixent de manera substancialment lenta. Hem realitzat un assaig de microsopia d’alt rendiment (high-throughput) i hem determinat les distribucions de proliferació d'un conjunt de més de 1590 delecions de gens individuals i de soques wild type de Saccharomyces cerevisiae. Hem trobat que la disfunció mitocondrial és una causa primària del creixement lent dins d'una població isogènica i hem observat que un potencial alt de la membrana mitocondrial ens permet predir la reducció del creixement i la deficiència respiratòria. Hem mostrat que aquesta reducció es pot revertir en determinades circumstàncies i que la deficiència respiratòria temporal és un tret comú en moltes soques. També hem relacionat la dinàmica de la capacitat respiratòria d'una cèl·lula amb l’estat del seu ADN mitocondrial. Finalment, hem mostrat que el creixement en presència d'agents antifúngics augmenta el nombre de cèl·lules amb deficiència temporal respiratòria, suggerint que aquest fenotip pot ser una forma de protecció (subpoblació resistent als fàrmacs amb ADN mitocondrial intacte).