Decoding the nature of the transcriptional response to stress

Abstract

Virtually all living organisms are challenged by changes in their environment, such as sudden increases in osmolarity. To cope with these stresses, cells have developed stress responses that tune every aspect of cell physiology. Upon osmostress, Saccharomyces cerevisiae (yeast) cells undertake a massive reprogramming of gene expression essential for stress adaptation. This thesis aimed to provide a deeper understanding of these massive transcriptome changes caused by osmostress. To this end, we generated a highly-replicated bulk RNA-seq catalog of yeast osmostress-responsive genes that we comprehensively characterized in terms of gene features. We extended this analysis to human HeLa cells and observed conservation despite long evolutionary distances. To expose the differences between bulk and single-cell yeast transcriptomes in response to osmostress, we developed yeast single-cell RNA-seq (yscRNA-seq), a robust scRNA-seq method that overcomes yeast’s difficulties for single-cell. The application of yscRNA-seq to study cell-to-cell variability upon osmostress revealed a high degree of heterogeneity and gene-specific dynamic changes in gene expression variability. In summary, this thesis provides a holistic understanding of the nature of the transcriptional stress response.

Prácticamente todos los seres vivos se enfrentan a cambios en su entorno, como aumentos repentinos de la osmolaridad. Para hacer frente a estas situaciones, las células han desarrollado respuestas a estrés las cuales modifican todos los aspectos de la fisiología celular. Tras sufrir un estrés osmótico, las células de Saccharomyces cerevisiae (levadura) producen una reprogramación masiva de la expresión génica la cual es esencial para la adaptación al estrés. El objetivo de esta tesis ha sido proporcionar una comprensión más profunda de estos cambios masivos en el transcriptoma causados ​​por el estrés osmótico. Con ese fin, generamos un catálogo de RNA-seq poblacional altamente replicado de genes que responden a estrés osmótico en levadura el cual caracterizamos de manera integral en términos de características de estos genes. Extendimos este análisis a células humanas HeLa y observamos conservación a pesar de las largas distancias evolutivas. Para exponer las diferencias entre transcriptomas de levadura a nivel de célula individual y a nivel poblacional en respuesta a estrés osmótico, desarrollamos yeast single-cell RNA-seq (yscRNA-seq), un método robusto de scRNA-seq que supera las dificultades de la levadura para estos análisis. La aplicación de yscRNA-seq para estudiar la variabilidad entre células en respuesta a estrés osmótico reveló un alto grado de heterogeneidad y cambios dinámicos y específicos de genes en la variabilidad de la expresión génica. En resumen, esta tesis proporciona una comprensión holística de la naturaleza de la respuesta al estrés transcripcional.