Tamaño crítico: efectos e implicaciones en crecimiento y ciclo celular

Abstract

En Ia levadura de gemación el tamaño celular en START o tamaño crítico está determinado por Ia velocidad de crecimiento en G1. Durante esta fase, Saccharomyces cerevisiae presenta una disminución de Ia relación area superficie/volumen con el tamaño. En cambio, en el memento de Ia gemación se observa Ia existencia de un pico máximo en Ia velocidad de síntesis de Ia superficie celular, necesitando un gran aumento en Ia síntesis de materiales de Ia membrana plasmática y Ia pared celular, y un óptimo transporte de esos componentes hacia Ia yema para el correcto crecimiento de ésta.

Por todo ello, postulamos Ia hipótesis de que Ia determinacion del tamaño celular en START tendría importantes implicaciones en el óptimo crecimiento y desarrollo de Ia yema en las fases S-G2 del ciclo celular de levaduras. Para comprobar esta idea, realizamos un cuidadoso estudio delcrecimiento en S-G2 y observamos que Ia velocidad de crecimiento de Ia yema no aumenta de manera proporcional al tamaño de Ia célula madre,especialmente a volúmenes muy grandes. Ella no sucedía durante G1, donde observamos que Ia velocidad de crecimiento es proporcional al tamaño celular, según las !eyes del crecimiento exponencial. De modo muy notable, dicho efecto tampoco fue observado en células diploides y tetraploides, donde el tamaño es progresivamente mayor, pero proporcional al DNA genómico. Estos datos sugerlan que Ia baja eficiencia de crecimiento de las células madre haploides de gran tamaño podría ser causada por algun tipo de insuficiencia génica. Por ejemplo, si Ia expresión de algunos genes importantes en crecimiento no escalase con el tamaño, se producirían cantidades limitantes de las proteínas codificadas y, por tanto, Ia eficiencia de los procesos correspondientes se vería seriamente comprometida.

El crecimiento de Ia yema depende del transporte de vesículas desde Ia célula madre,y observamos que dicho transporte no aumentaba proporcionalmente al volumen de Ia célula madre.Sin embargo, el transportador de vesículas Myo2 no mostró una expresión disminuida y tampoco observamos una deficiencia en el número de cables de actina en células grandes, indicando que el sistema de transporte en sí no era limitante. Por dichas razones concluimos que el problema podría residir en el contenido de las vesículas, el cargo.Por tanto,estudiamos proteínas representativas del crecimiento en G1/S,y descubrimos que su nivel disminuye con el tamaño. Como pieza central de este trabajo, comparamos los transcriptomas de células pequeñas y grandes en G1/S, y encontramos muchos genes de categorías funcionales específicas que se regulan al alza o a Ia baja en células grandes en comparación con células pequeñas.Entre ellos encontramos genes relacionados con el crecimiento apical, el transporte de vesículas,el citoesqueleto,y Ia biogénesis ribosómica, que representa un coste energético extraordinario y debe estar muy bien regulada para un crecimiento óptimo. Finalmente, para genes paradigmáticos en estas categorías,realizamos un análisis cuidadoso de Ia insuficiencia génica y confirmamos sus efectos limitantes sobre el crecimiento de Ia yema.

En resumen, nuestros resultados demuestran que S. cerevisiae ha establecido un tamaño crítico para lograr el crecimiento óptimo de Ia yema. A tamaños inusualmente mayores, Ia expresión de genes relacionados con proteínas ribosómicas, así como componentes esenciales del crecimiento apical, se reduce claramente produciendo una seria limitación del crecimiento celular.

In budding yeast,cell size at START or the critical size is determined by the growth rate in G.l During this phase, Saccharomyces cerevisiae shows a decrease in the surface area/volume ratio as it increases in size.When the cell shifts from isotropic growth during Gl to polarized growth from the mother cell to the bud,surface synthesis rate peaks right after budding,where a great increase in plasma membrane and cell wall synthesis,and an optimal transport of these components to the bud,is necessary to grow as efficiently as possible.

Therefore, we hypothesized that cell size set at START would have important implications for the optimal growth and development of the bud in the S-G2 phases of the yeast cell cycle. To test this notion,we carefully analyzed growth kinetics in S-G2 phases and observed that the growth rate of the bud does not increase proportionally to the mother cell size, particularly at very large cell volumes.This effect did not take place during Gl,where we found that growth rate is proportional to cell size, exquisitely following the rules of exponential growth. Notably, the abovementioned effect was not observed either in diploid or tetraploid cells where mother cell size is progressively larger,but proportional to genomic DNA. These data suggested that low growing efficiencies of large haploid mother cells could be caused by some sort of gene insufficiency.For instance,if expression of some genes playing prominent roles in bud growth would not scale with size,rate-limiting amounts of the encoded proteins would be produced and,hence,the efficiency of the corresponding processes would be seriously compromised.

One of the most important mechanisms for bud growth is the transport of vesicles from the mother cell. Indeed,we observed problems in transport,because it did not occur at a rate proportional to mother cell volume.However, it was not a matter of the transport machinery itself, since the Myo2 vesicle transporter did not show a decreased expression. Moreover,we did not observe either a deficiency in the number of actin cables at large cell volumes, indicating that the actin-based transport system was not limiting. For all these reasons, we concluded that the problem could reside in the vesicle contents, the cargo. Therefore, we studied representative proteins needed for active growth in the Gl/S transition and found that their cell concentration was reduced at large volumes. As a central set of experiments of this work, we compared the transcriptomes of small and large cells while performing the Gl/S transition, and found many genes belonging to specific functional categories that were upregulated or downregulated in large cells compared to small cells.Among those we found genes related to apical growth, vesicle transport, cytoskeleton, but especially to ribosomal biogenesis, which represents an extraordinary energetic cost, and must be extremely well regulated for optimal growth. Finally, for paradigmatic genes in these categories, we performed a careful analysis of gene insufficiency and confirmed their limiting effects on bud growth.

In all, our results demonstrate that S.cerevisiae has established a critical size to achieve an optimal bud growth. At unusually larger sizes,the expression of ribosomal protein-related genes, as well as essential components for apical growth, is clearly reduced and, as a consequence,results in serious cell growth limitation.