Modulació de l'estabilitat dels mRNAs en resposta a diversos estressos ambientals en Saccharomyces cerevisiae

Abstract

<p style="text-align:ajustify"><br/>Les cèl·lules reaccionen front els estressos ambientals a través de respostes múltiples que ocorren a<br/>nivell transcripcional i posttranscripcional, per tal d'adaptar-se a les noves condicions i contrarestar els<br/>possibles danys causats per l'estrès. En aquest treball s'analitzen les respostes a estrès tèrmic i oxidatiu de<br/>Saccharomyces cerevisiae mitjançant la determinació en paral·lel dels nivells d'mRNA (RA) i de les taxes<br/>de transcripció (TR) mitjançant la tècnica de Genomic Run-On (GRO) per a cada gen individual a escala<br/>genòmica. A més, s'utilitza un algoritme matemàtic adaptat a situacions dinàmiques, com és la resposta a<br/>estrès, per a calcular les taxes de degradació teòrica dels mRNAs (TD) a partir de les dades experimentals<br/>de TR i RA. Els gens del llevat han estat classificats en diferents grups per homologies de perfils de les<br/>cinètiques de TR i RA, resultant distribuïts en 16 i 25 grups en resposta a xoc per calor i a estrès oxidatiu,<br/>respectivament. A més, es calcula la mitjana de TD per a cada grup. Aquestes dades prediuen modulacions<br/>causades per la contribució de la TD en els patrons d'expressió de la majoria dels trànscrits. Els resultats<br/>obtinguts mostren dues tendències oposades: una desestabilització general dels mRNA en la resposta a<br/>estrès oxidatiu i una estabilització global durant la resposta a l'estrès tèrmic. Malgrat això, en ambdós<br/>estressos, un 25% dels gens induïts transcripcionalment no augmenten els seus nivells d'mRNA. Aquesta<br/>manca de paral·lelisme prediu canvis importants en l'estabilitat de l'mRNA. Una resposta comuna és la<br/>repressió i la forta desestabilització predita en els mRNAs codificants per proteïnes ribosomals i enzims<br/>processadors d'rRNA. D'altra banda, la majoria dels mRNAs del proteosoma s'indueixen en els dos<br/>estressos i, tot i que aquests s'estabilitzen arran de l'estrès per calor, no ho fan en resposta a l'oxidatiu, fet<br/>que suggereix que els canvis en la TD dels mRNAs en resposta a un estrès provoquen diferents<br/>modulacions específiques sobre l'RA d'aquest grup de gens. Hem confirmat les prediccions matemàtiques<br/>per a alguns gens de diversos grups determinant experimentalment les TDs dels mRNAs emprant el<br/>promotor regulable tetO. Aquest estudi indica que les respostes a estrès en cèl·lules de llevat estan<br/>condicionades no només per la transcripció dels gens, sinó també per la dinàmica de la TD dels mRNAs.<br/>Les nostres anàlisis GRO permeten observar que, arran d'un estrès oxidatiu, els gens del sistema<br/>d'alta afinitat d'adquisició de ferro controlat pel transactivador Aft1 s'indueixen transcripcionalment. De<br/>forma paral·lela, es demostra que Aft1 s'internalitza transitòriament al nucli. En aquestes condicions, els<br/>nivells d'mRNA dels gens de la via no reductiva augmenten, mentre que els trànscrits de la via reductiva<br/>mediada pel complex Ftr1/Fet3 es mantenen baixos, a causa de la desestabilització del seu mRNA. En<br/>conseqüència, els seus nivells de proteïna també són baixos. La degradació d'aquests mRNAs ocorre per la<br/>via general 5'-3' i és independent de la proteïna d'unió a RNA Cth2. En concordança, les cèl·lules de llevat<br/>són hipersensibles als peròxids quan l'única via funcional d'assimilació de ferro és la via reductiva. Per<br/>contra, el peròxid no afecta el creixement quan l'adquisició de ferro es produeix exclusivament a través de<br/>la via no reductiva. Això reforça la idea que, en estrès oxidatiu, les cèl·lules d'S. cerevisiae redirigeixen<br/>l'assimilació de ferro a través de la via no reductiva per minimitzar el dany oxidatiu dels ions ferrosos.<br/><br/><br/><br> </br>

</b><br/><p style="text-align:ajustify"><br/>Las células reaccionan frente estreses ambientales a través de respuestas múltiples que ocurren a<br/>nivel transcripcional y post-transcripcional para adaptarse a las nuevas condiciones y contrarrestar los<br/>posibles daños causados por el estrés. En este trabajo se analizan las respuestas a estrés térmico y oxidativo<br/>de Saccharomyces cerevisiae mediante la determinación en paralelo de los niveles de mRNA (RA) y la<br/>tasas de transcripción (TR) usando la técnica de Genomic Run-On (GRO) para cada gen individual a escala<br/>genómica. Además, se utiliza un algoritmo matemático adaptado a situaciones dinámicas, como es la<br/>respuesta a estrés, para calcular las tasas de degradación teórica de los mRNAs (TD) a partir de los datos<br/>experimentales de TR y RA. Los genes de la levadura han sido clasificados en diferentes grupos según las<br/>homologías de los perfiles de las cinéticas de TR y RA. De este modo, los genes se distribuyen en 16 y 25<br/>grupos en respuesta a estrés térmico y oxidativo, respectivamente. Además, se calcula la media de TD para<br/>cada grupo. Estos datos predicen modulaciones causadas por la contribución de la TD, en los patrones de<br/>expresión de la mayoría de los tránscritos. Los resultados obtenidos muestran dos tendencias opuestas: una<br/>desestabilización general del mRNA en la respuesta al estrés oxidativo y una estabilización global en la<br/>respuesta al choque térmico. Sin embargo, en ambos estreses, alrededor del 25% de los genes inducidos<br/>transcripcionalmente no aumentan sus niveles de mRNA. Estas diferencias predicen cambios importantes<br/>en la estabilidad del mRNA, así como en la respuesta transcripcional al estrés. Una respuesta común es la<br/>represión y la desestabilización predicha en los mRNAs codificantes para proteínas ribosomales y enzimas<br/>procesadoras de rRNA. Contrariamente, la mayoría de los mRNAs del proteasoma se inducen en los dos<br/>estreses y, aunque estos se estabilizan después del estrés por calor, no lo hacen en respuesta al estrés<br/>oxidativo, sugiriendo que cambios en la TD de los mRNAs en respuesta a estrés provocan modulaciones<br/>específicas sobre el RA. Hemos confirmado las predicciones matemáticas para algunos genes de diversos<br/>grupos determinando experimentalmente las TDs de los mRNAs utilizando el promotor regulable tetO. Este<br/>estudio indica que las respuestas a estrés en células de levadura están condicionadas no sólo por la<br/>transcripción de los genes, sino también por la dinámica de la TD de los mRNAs.<br/>Nuestros análisis GRO permiten observar que en respuesta a estrés oxidativo los genes del sistema<br/>de alta afinidad de adquisición de hierro controlado por el transactivador Aft1 se inducen<br/>transcripcionalmente. De forma paralela, se demuestra que Aft1 se internaliza transitoriamente en el núcleo.<br/>En estas condiciones, los niveles de mRNA de los genes de la vía no reductiva aumentan. Sin embargo, los<br/>transcritos de la vía reductiva mediada por el complejo Ftr1/Fet3 se mantienen bajos, debido a la<br/>desestabilización de su mRNA. En consecuencia, sus niveles de proteína también son bajos. La degradación<br/>de estos mRNAs ocurre por la vía general 5'-3' y es independiente de la proteína de unión a RNA Cth2. En<br/>concordancia, las células de levadura son hipersensibles a los peróxidos cuando la única vía funcional de<br/>asimilación de hierro es la vía reductiva. Por el contrario, el peróxido no afecta el crecimiento cuando la<br/>adquisición de hierro se produce exclusivamente a través de la vía no reductiva. Esto refuerza la idea que, en respuesta a estrés oxidativo, las células de S. cerevisiae redirigen la asimilación de hierro a través de la<br/>vía no reductiva para minimizar el daño oxidativo provocado por los iones ferrosos.<br/><br/><br/><br> </br>

</b><br/><p style="text-align:ajustify"><br/>Cells react against environmental stresses through multiple responses occurring at transcriptional<br/>and posttranscriptional levels, in order to adapt themselves to the new conditions and counteract the<br/>possible damage caused by stress. In this work the heat and the oxidative stress responses have been<br/>analyzed in Saccharomyces cerevisiae by parallel determination of mRNA levels (RA) and transcription<br/>rates (TR) using the Genomic Run-On (GRO) methodology for each individual gene at a genomic scale.<br/>Moreover, a mathematical algorithm has been adapted for dynamic situations, such as the response to stress,<br/>to calculate theoretical mRNA decay rates (TD) from the experimental TR and RA data. Yeast genes have<br/>been grouped into different clusters, according to homologies of theirs RA and TR kinetics. In that way,<br/>genes are distributed in 16 and 25 clusters upon heat and oxidative stress, respectively. Moreover, the TD<br/>average has been calculated for each cluster. These data predict modulations in the RA profiles caused by<br/>the TD contribution for most of the transcripts. Two opposite tendencies are observed in response to such<br/>stresses: a global trend on mRNA destabilization is shown upon oxidative stress response whereas a general<br/>mRNA stabilization occurs during thermal stress response. However, in both stresses, around the 25% of<br/>the transcriptionally induced genes do not increase their mRNA levels. This lack of parallelism predicts<br/>important changes in mRNA stability as well as in the transcriptional stress response. As a common<br/>response, genes for ribosomal proteins and rRNA processing enzymes are abundant among those whose<br/>mRNAs are predicted to destabilize. Most of proteasomal genes are upregulated in both stresses. However,<br/>these become stabilized among the heat shock, although not in response to oxidative stress, suggesting that<br/>changes on the mRNA decay rates in response to one specific stress provoke different responses on the<br/>mRNA amount. We have confirmed the mathematical predictions for several genes from different clusters<br/>by experimentally determining mRNA decay rates using the regulable tetO promoter. This study indicates<br/>that stress responses in yeast cells are not only conditioned by gene transcription but also by the mRNA<br/>decay dynamics.<br/>Our GRO analyses allow the observation that, upon oxidative stress, genes of the high-affinity<br/>system iron acquisition controlled by the Aft1 transactivator are highly transcribed. In parallel, we<br/>demonstrate that Aft1 is transitorily internalized into the nucleus. In these conditions, the mRNA levels of<br/>the non-reductive pathway genes become increased. However, transcripts of the Ftr1/Fet3-mediated<br/>reductive pathway remain low due to destabilization of the mRNAs. Consequently, the respective protein<br/>levels also remain low. Such mRNA destabilization is mediated by the general 5'-3'-mRNA decay pathway<br/>and is independent of the RNA-binding protein Cth2. According with that, yeast cells are hypersensitive to<br/>peroxides in growth conditions where only the high-affinity reductive pathway is functional for iron<br/>assimilation. On the contrary, peroxide does not affect growth when iron uptake occurs exclusively through<br/>the non-reductive pathway. This reinforces the idea that upon oxidative stress S. cerevisiae cells redirect<br/>iron assimilation through the non-reductive pathway to minimize oxidative damage by the ferrous ions.