1 La proteína fosfatasa Ppz1 de levadura: estudios estructurales y funcionales en sobreexpresión

Abstract

Els enzims Ppz són proteïnes fosfatases que es troben només en fongs i es caracteritzen per un domini catalític C-terminal molt conservat, semblant al de les fosfatases PP1c, i una regió N-terminal poc conservada. En Saccharomyces cerevisiae, les fosfatases Ppz estan codificades en els gens paràlegs PPZ1 i PPZ2. Ppz1 és la proteïna més tòxica en sobreexpressió en llevat, alterant la proliferació cel·lular de manera dependent de la seva activitat fosfatasa, tot i que els mecanismes darrer d’aquesta toxicitat encara no han estat establerts. En aquest estudi intentem conèixer aquests mecanismes. Hem identificat alguns gens que codifiquen proteïnes ribosòmiques, així com factors implicats en la biogènesi de ribosomes com a supressors en multicòpia de l’efecte tòxic de Ppz1. Aquesta fosfatasa s’uneix als ribosomes que comencen a traduir, i l’excés de Ppz1 produeix una disminució en el contingut de polisomes. L’absència de la quinasa Gcn2 (regulador negatiu de l’inici de la traducció) parcialment suprimeix el defecte de creixement d’una soca que sobreexpressa Ppz1. Per tot això, proposem que part dels efectes de la sobreexpressió de Ppz1 es deuen a l’alteració de la síntesi de proteïnes.

Malgrat el seu domini catalític conservat, descrivim que Ppz2 no és tòxica quan se sobreexpressa en les mateixes condicions que Ppz1, tot i que els nivells de Ppz2 són més baixos. Sorprenentment, una versió híbrida composada pel segment N-terminal de Ppz1 i el domini catalític de Ppz2 va presentar la mateixa toxicitat que Ppz1, tot i mostrar nivells de proteïna comparables a Ppz2. Per tant, creiem que la extensió N-terminal és important per a la toxicitat de Ppz1.

També vam analitzar el grau de toxicitat de dos versions de Ppz1: G2A (no miristilable) i R451L (catalíticament inactiva). El canvi G2A va atenuar lleument la toxicitat de Ppz1, mentre que la versió R451L va eliminar gran part de la toxicitat. És conegut que Ppz1 és capaç d’inhibir l’entrada de K+ via Trk1. L’addició de K+ va millorar el creixement de les cèl·lules que portaven les versions tant de la Ppz1 nativa com de la versió G2A. Vam analitzar també el creixement d’alguns mutants de la via de resposta a l’estrès osmòtic (HOG) quan se sobreexpressaven aquestes versions de Ppz1. La deleció de HOG1 (que codifica la MAPK central de la via HOG) va reduir de manera notable la toxicitat de les 2 versions. L’absència de Nha1, un antiportador Na+,K+/H+, va produir una reducció molt dràstica de la toxicitat de la versió G2A. Per últim, hipotetitzem un model on la sobreexpressió de Ppz1 podria alterar el funcionament dels transportadors Nha1 y Trk1, explicant el comportament de la versió G2A de Ppz1.

Los enzimas Ppz son proteínas fosfatasas que se encuentran solo en hongos y se caracterizan por un dominio catalítico C-terminal muy conservado, parecido al de las fosfatasas PP1c, y una región N-terminal poco conservada. En Saccharomyces cerevisiae, las fosfatasas Ppz están codificadas en los genes parálogos PPZ1 y PPZ2. Ppz1 es la proteína más tóxica en sobreexpresión en levadura, alterando la proliferación celular de manera dependiente de su actividad fosfatasa, aunque los mecanismos que recaen sobre esta toxicidad aún no han sido descubiertos. En este estudio intentamos conocer estos mecanismos. Hemos identificado varios genes que codifican proteínas ribosómicas, así como factores implicados en la biogénesis de ribosomas como supresores en multicopia del efecto tóxico de Ppz1. Esta fosfatasa se une a los ribosomas que empiezan a traducir, y el exceso de Ppz1 produce una caída en la cantidad de polisomas. La ausencia de la quinasa Gcn2 (regulador negativo del inicio de traducción) parcialmente suprime el defecto de crecimiento de una cepa que sobreexpresa Ppz1. Por todo esto, proponemos que parte de los efectos de la sobreexpresión de Ppz1 se deben a la alteración de la síntesis de proteínas.

A pesar de su dominio catalítico conservado, describimos que Ppz2 no es tóxica cuando se sobreexpresa en las mismas condiciones que Ppz1, aunque los niveles de Ppz2 son menores. Sorprendentemente, una versión híbrida compuesta por el segmento N-terminal de Ppz1 y el dominio catalítico de Ppz2 presentó la misma toxicidad que Ppz1, incluso mostrando niveles de expresión comparables a los de Ppz2. Por tanto, creemos que la extensión N-terminal es importante para la toxicidad de Ppz1.

También analizamos el nivel de toxicidad de dos versiones de Ppz1: G2A (no miristilable) y R451L (catalíticamente inactiva). El cambio G2A atenuó solo levemente la toxicidad de Ppz1, mientras que la versión R451L eliminó gran parte de la toxicidad. Es sabido que Ppz1 es capaz de inhibir la entrada de K+ vía Trk1. La adición de K+ logró mejorar el crecimiento de las células que portaban las versiones tanto de la Ppz1 nativa como de la versión G2A. Analizamos también el crecimiento de varios mutantes de la vía de respuesta a estrés osmótico (HOG) al sobreexpresar estas versiones de Ppz1. La deleción de HOG1 (que codifica la MAPK central de la vía HOG) redujo visiblemente la toxicidad de las 2 versiones. La ausencia de Nha1, un antiportador Na+,K+/H+, produjo una reducción muy drástica de la toxicidad de la versión G2A. Por último, hipotetizamos un modelo en el que la sobreexpresión de Ppz1 podría alterar el funcionamiento de los transportadores Nha1 y Trk1, explicando el comportamiento de la versión G2A de Ppz1.

The Ppz enzymes are Ser/Thr protein phosphatases present only in fungi that are characterized by a highly conserved C-terminal catalytic region, related to PP1c phosphatases, and a more divergent N-terminal extension. In Saccharomyces cerevisiae, Ppz phosphatases are encoded by two paralog genes, PPZ1 and PPZ2. Ppz1 is the most toxic protein when overexpressed in budding yeast, halting cell proliferation, and this effect requires its phosphatase activity. However, the reasons for such toxicity have not been elucidated. In this study, we tried to unveil the mechanisms behind the toxicity of Ppz1. We have identified several genes encoding ribosomal proteins and ribosome assembly factors as mild high-copy suppressors of the toxic Ppz1 effect. This phosphatase binds to ribosomes engaged in translation, and the Ppz1 excess leads to a decrease in the polysome content. The absence of the Gcn2 kinase (a translation initiation negative regulator) partially suppresses the growth defect of a Ppz1 overexpressing strain, consistently with an impact in the initiation process. We propose that the deleterious effects of Ppz1 overexpression are in part due to alteration in normal protein synthesis.

Despite its conserved catalytic domain, we report that Ppz2 was not toxic when overexpressed in the same conditions that Ppz1, albeit Ppz2 levels were somewhat lower. Remarkably, a hybrid protein composed of the N-terminal extension of Ppz1 and the catalytic domain of Ppz2 was as toxic as Ppz1 even if its expression level was comparable to that of Ppz2. Thus, the N-terminal extension of Ppz1 plays a key role in defining Ppz1 toxicity.

The toxic effect of two Ppz1 versions was also analyzed. The G2A mutation generates a non-myristoylable Ppz1 and the R451L version is catalytically inactive. The G2A change slightly attenuated the toxicity of Ppz1, while the R451L mutation strongly reduced the growth defect associated with the excess of Ppz1. Ppz1 is capable to inhibit K+ uptake via the Trk1 transporter. The addition of external potassium ameliorated the growth of cells carrying the native Ppz1 and G2A version. We also analyzed the growth of mutants related to the HOG pathway containing these Ppz1 versions. The deletion of HOG1, which encodes the central MAPK of the HOG pathway, notably reduced the toxicity associated with the 2 Ppz1 versions. The absence of Nha1, a Na+,K+/H+ antiporter, led to a strong reduction of the toxic effect of the G2A variant. Finally, we hypothesize a model in which overexpression of Ppz1 might alter the function of both Nha1 and Trk1 transporters, thus explaining the behavior of the G2A version of Ppz1.