A series of mutant strains of the yeast Saccharomyces cerevisiae that are sensitive to osmotic stress and also have a defect in vacuolar biogenesis have been isolated (M. Latterich, PhD Thesis 1992). The mutations that cause this pleiotropic phenotype are termed ssv, for salt sensitive vacuolar mutants. Complementation analysis has revealed that ssv mutations fall into one of 18 complementation groups. A MAP kinase related signal transduction pathway, termed the HOG pathway for High Osmolarity Glycerol, has been identified in yeast. This pathway senses osmotic stress and invokes the cellular response, one aspect of which is the accumulation of intracellular glycerol (Brewster et. al, 1993). Mutations in the HOG pathway often cause an osmosensitive phenotype similar to that shown by ssv mutations. This work sets out to characterise several ssv strains for defects in the HOG pathway. These strains were subjected to osmotic stress and the intracellular and extracellular glycerol determined and compared to control strains and conditions. Many of the strains showed reduced, or even elevated in one case, glycerol levels compared to wild-type strains. No correlation could be made between these glycerol levels and the activity of the rate-limiting enzyme, glycerol-3-phosphate dehydrogenase (GPDH) determined in an independent study. Transcription of the GPDH gene is under the control of the HOG pathway. In a separate study, the nucleotide sequence of a short region of yeast chromosome VII was determined. Approximately 11,000 bases of DNA from the right sub-telomeric region was sequenced. Analysis of the DNA sequence showed four potential open reading frames. One of these encoded the YORl gene and another a protein related to PAU1 The remaining two ORFs, termed ORFl and ORF2, encoded potential proteins of unknown function. Disruption cassettes containing the LEU2 selectable marker were constructed for both ORFl and ORF2. Successful disruption of ORFl was achieved, but no viable transformants were ever recovered after attempted disruption of 0RF2..ORFl gene knockouts are viable and show no observable phenotype under a range of growth conditions. Subsequent analysis of ORFl and 0RF2 after the completion of the Yeast Genome Project, shows that both ORFl and 0RF2 are members of different sub- telomeric associated gene families. 0RF2 encodes a putative Y' protein.

Les cellules ont développé plusieurs voies de signalisation et de réponses transcriptionnelles pour réguler leur taille et coordonner leur croissance et leurs divisions cellulaires. L'intérieur des cellules est naturellement surchargé par des macromolécules. Cet encombrement macromoléculaire, appelé crowding, a été intensément étudié in vitro et est connu pour affecter la cinétique des réactions. Cependant, l'étude des effets d'encombrement in vivo est plus difficile en raison du haut niveau de complexité et d'hétérogénéité à l'intérieur d'une cellule. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux effets de changement du volume cellulaire sur la cinétique de réactions biochimiques chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Pour cela, nous avons induit des stress osmotiques pour comprimer la cellule et étudier l'impact du crowding sur les cinétiques de signalisation. La réduction du volume cellulaire augmente la viscosité interne et peut retarder le fonctionnement de plusieurs voies de signalisation et de processus cellulaires. En augmentant progressivement le niveau de compression, on observe un ralentissement des processus biologiques jusqu'à un point où l'adaptation cellulaire est abolie. Ceci a été observé pour la translocation nucléaire de facteurs de transcription (Hog1, Msn2, Crz1, Mig1 et Yap1) ainsi que pour la mobilité des protéines Abp1 et Sec7. Nous montrons aussi que la compression altère la capacité de plusieurs protéines à diffuser dans le cytoplasme de différents types cellulaires. Nous proposons que ces altérations cinétiques induites par l'augmentation de la viscosité intracellulaire ne soient pas sans rappeler une transition vitreuse. Ces résultats suggèrent l'importance d'un encombrement macromoléculaire optimal permettant aux cellules de fonctionner correctement.

Information spielt in der Natur eine zentrale Rolle. Als intrinsischer Teil des genetischen Codes ist sie das Grundgerüst jeder Struktur und ihrer Entwicklung. Im Speziellen dient sie auch Organismen, ihre Umgebung wahrzunehmen und sich daran anzupassen. Die Grundvoraussetzung dafür ist, dass sie Information ihrer Umgebung sowohl messen als auch interpretieren können, wozu Zellen komplexe Signaltransduktionswege entwickelt haben. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf Signalprozesse in S.cerevisiae die von osmotischem Stress (High Osmolarity Glycerol (HOG) Signalweg) und der Stimulation mit α-Faktor (Pheromon Signalweg) angesprochen werden. Wir wenden stochastische Modelle an, die das intrinsische Rauschen biologischer Prozesse darstellen können, um verstehen zu können wie Signalwege die ihnen zur Verfügung stehende Information umsetzen. Informationsübertragung wird dabei mit einem Ansatz aus Shannons Informationstheorie gemessen, indem wir sie als einen Kanal in diesem Sinne auffassen. Wir verwenden das Maß der Kanalkapazität, um die Genauigkeit des Phosphorelays einschränken zu können. In diesem Modell, simuliert mit dem Gillespie Algorithmus, können wir durch die Analyse des Signalverhaltens den Parameterraum zusätzlich stark einschränken. Eine weitere Herangehensweise der Signalverarbeitung beschäftigt sich mit dem “Crosstalk” zwischen HOG und Pheromon Signalweg. Wir zeigen, dass die Kontrolle der Signalspezifizität vor allem bei Scaffold-Proteinen liegt, die Komponenten der Signalkaskade binden. Diese konservierten Motive zellulärer Signaltransduktion besitzen eine geeignete Struktur, um Information getreu übertragen zu können. Im letzten Teil der Arbeit untersuchen wir potentielle Gründe für die evolutionäre Selektion von Scaffolds. Wir zeigen, dass ihnen bereits durch die Struktur des Mechanismus möglich ist, Informationsgenauigkeit zu verbessern und einer verteilten Informationsweiterleitung sowohl dadurch als auch durch ihre Robustheit überlegen sind. / Information plays a ubiquitous role in nature. It provides the basis for structure and development, as it is inherent part of the genetic code. It also enables organisms to make sense of their environments and react accordingly. For this, a cellular interpretation of information is needed. Cells have developed sophisticated signaling mechanisms to fulfill this task and integrate many different external cues with their help. Here we focus on signaling that senses osmotic stress (High Osmolarity Glycerol (HOG) pathway) as well as α-factor stimulation (pheromone pathway) in S.cerevisiae. We employ stochastic modeling to simulates the inherent noisy nature of biological processes to assess how systems process the information they receive. This information transmission is evaluated with an information theoretic approach by interpreting signal transduction as a transmission channel in the sense of Shannon. We use channel capacity to both constrain as well as quantify the fidelity in the phosphorelay system of the HOG pathway. In this model, simulated with the Gillespie Algorithm, the analysis of signaling behavior allows us to constrain the possible parameter sets for the system severely. A further approach to signal processing is concerned with the mechanisms that conduct crosstalk between the HOG and the pheromone pathway. We find that the control for signal specificity lies especially with the scaffold proteins that tether signaling components and facilitate signaling by trans-location to the membrane and shielding against miss-activation. As conserved motifs of cellular signal transmission, these scaffold proteins show a particularly well suited structure for accurate information transmission. In the last part of this thesis, we examine the potential reasons for an evolutionary selection of the scaffolding structure. We show that due to its structure, scaffolds are increasing information transmission fidelity and outperform a distributed signal in this regard.