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Die LAMMER-Kinasen sind Dual-Spezifität-Proteinkinasen, die durch das namensgebende einzigartige LAMMER-Motiv gekennzeichnet sind. Sie sind evolutionär hoch konserviert und in den meisten Eukaryonten vorhanden. Die vorliegende Arbeit stellt die erste funktionelle Charakterisierung eines bisher kaum erforschten Vertreters der LAMMER-Proteinkinase Familie Kns1 aus der Bäckerhefe dar. Phänotypische Analysen belegten eine entscheidende Rolle für Kns1 in der Regulation der Toleranz gegenüber basischem pH-Stress. Das Entfernen des KNS1 Gens führte zu einer gesteigerten Empfindlichkeit der Zellen gegenüber basischen Wachstumsbedingungen. Weitere Analysen zeigten, dass Kns1 neben der katalytischen Aktivität auch nicht-katalytischen Mechanismen zur Förderung des Zellwachstums unter alkalischem pH-Stress nutzt. Die Reinigung des Kns1 Proteins in voller Länge aus E. coli ermöglichte die Identifizierung von neun in vitro-Autophosphorylierungsstellen mittels Massenspektrometrie. Die Mutation von Thr562, eine Autophosphorylierungsstelle innerhalb des LAMMER-Motivs, zu Alanin ergab in vitro eine Kinase mit intrinsischer katalytischer Aktivität, die sich jedoch in vivo hauptsächlich wie die katalytisch inaktive Kns1-Mutante verhielt. Die Calcium/Calmodulin-abhängige Proteinkinase II Cmk2, die konstitutiv autokatalytische Eigenschaften besitzt, wurde früher als mögliches in vitro Substrat von Kns1 vorgeschlagen. In dieser Arbeit beweise ich durch Verwendung einer katalytisch inaktiven Cmk2-Mutante als Substrat, dass Kns1 Cmk2 in vitro phosphoryliert. Darüber hinaus zeige ich, dass Cmk2 die basische pH-Toleranz der Zellen beschränkt. Gestützt durch genetische Hinweise agieren beide Proteine gemeinsam bei der Regulation der alkalischen Stresstoleranz, wobei Kns1 möglicherweise Cmk2 herabreguliert. Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit eine neue und entscheidende Rolle von Kns1 und Cmk2 bei der Anpassung der Hefe an alkalisches Milieu. / The LAMMER protein kinases, termed after a unique signature motif found in their catalytic domains, are an evolutionary conserved family of dual-specificity kinases that are present in most eukaryotes. Here I report the first functional characterization of one of the most unexplored members of the LAMMER family, the budding yeast Kns1. Phenotypic analysis uncovered a crucial role for Kns1 in the control of the yeast tolerance to high pH stress. Deletion of the KNS1 gene conferred high sensitivity to alkaline pH, whereas its overexpression increased tolerance to this stress. Further analysis established that Kns1 promotes growth under alkaline pH stress using not only its catalytic activity but also non-catalytic mechanisms. Large-scale purification of full-length Kns1 from E. coli allowed for the identification of nine in vitro autophosphorylation sites on Kns1 by mass spectrometry. Mutation of the threonine residue at position 562, an autophosphorylation site located within the LAMMER motif, to a non-phosphorylatable residue yielded a kinase that preserves intrinsic catalytic activity in vitro but mostly behaves like the catalytically inactive mutant in vivo. This finding showed the physiological importance of autophosphorylation site Thr562 in the regulation of Kns1 function. The protein Cmk2, a calcium/calmodulin-dependent protein kinase II with autocatalytic properties, has been previously proposed as a possible in vitro substrate for Kns1. Here I demonstrate that Kns1 phosphorylates Cmk2 in vitro using a catalytically inactive Cmk2 mutant as substrate and show that Cmk2 restricts alkaline tolerance. Genetic evidence suggested that both proteins act in concert on a common pathway, in which Kns1 may downregulate Cmk2 to confer alkaline tolerance. In conclusion, this thesis describes a novel and crucial role for Kns1 and its in vitro substrate Cmk2 in the adaptation of yeast to alkaline stress.

En raison des capacités de mélange limitantes, des hétérogénéités au sein des bioréacteurs se produisent régulièrement lors de l’extrapolation à l’échelle industrielle. En conséquence, les microorganismes circulant au sein de ces bioréacteurs sont continuellement exposés à des gradients locaux au niveau des paramètres fondamentaux du procédé tel que le pH, la température, la concentration en substrat et en oxygène dissous. Ces fluctuations micro-environnementales peuvent affecter la croissance, le métabolisme et la morphologie des cellules, en fonction de la nature, de l’intensité, de la durée et/ou de la fréquence de la perturbation rencontrée. L’objectif de ce travail est l’étude quantitative de l’impact des fluctuations de pH et d’oxygène dissous sur le comportement dynamique de Yarrowia lipolytica, une levure avec un potentiel biotechnologique prometteur, aussi bien aux niveaux morphologique que métabolique. Pour répondre à cet objectif, des cultures en bioréacteur en conditions d’environnement contrôlé ont été mises en œuvre afin d’établir un lien de causalité directe entre la perturbation et la réponse observée. L’implémentation de deux modes de cultures différents (batch et chemostat) a permis de caractériser le comportement dynamique des populations cellulaires dans des états physiologiques différents: En mode continu, toutes les cellules sont dans le même état physiologique et se multiplient à la même vitesse de croissance, tandis que des sous-populations de levures dans des états physiologiques distincts peuvent cohabiter dans les cultures en mode batch. Un effort important a été consacré au développement et validation des méthodes pour une quantification rigoureuse des évolutions morphologiques de Y. lipolytica à l’échelle de la population. Le comportement macroscopique de la levure a été caractérisé par l’évaluation des dynamiques de croissance, la viabilité, les vitesses de consommation du glucose et d’oxygène, ainsi que les vitesses de production d’acide organique et de dioxyde de carbone. Trois techniques, à savoir la cytométrie en flux (CYT), la morpho-granulométrie (MG) et la diffraction dynamique de la lumière (DLS) ont été employé pour la quantification du phénomène d’élongation. Les résultats obtenus démontrent qu’il n’y a pas d’effet significatif des fluctuations de pH et d’oxygène dissous sur le comportement macroscopique (vitesses spécifiques, rendements, viabilité) de la levure. Néanmoins, une transition micellaire a été induite en réponse aux deux facteurs de stress (pH and pO2) seulement en conditions d’excès de glucose, suggérant ainsi un impact de la concentration résiduelle de glucose sur la régulation de dimorphisme chez Y. lipolytica. Le contrôle et la régulation de la concentration de glucose dans le milieu peut contribuer à une meilleure maitrise des changements morphologiques de Y. lipolytica en réponse à des stimuli de l’environnement. / Due to limited mixing capacities, heterogeneities regularly occur when scaling-up bioreactors for large-scale production. Microbial cultures are continuously exposed to local gradients in fundamental process parameters such as substrate, pH, temperature and dissolved oxygen DO concentration. These micro-environmental fluctuations may have detrimental effects on cellular growth, metabolism and morphology, depending on the nature, intensity, duration and/or frequency of the fluctuations encountered. The aim of this study was to investigate the impact of pH and DO fluctuations on the dynamic behavior of Yarrowia lipolytica, a microorganism with a promising biotechnological potential, at both morphological and metabolic levels. For this purpose, batch and continuous cultivations modes were preferentially adopted, as it enabled respectively, the study of the stress response of yeast populations growing at their maximum specific rate, and at various controlled specific growth rates in physiological steady-states. In addition, an important effort was devoted to the development and validation of morphological methods in order to acquire quantitative characterization of the response dynamics at the population scale. The macroscopic behavior of Y. lipolytica was assessed through examining the patterns of growth, viability, glucose uptake, oxygen consumption, organic acid and carbon dioxide production rates. Changes in the yeast morphology were characterized at the cell population level by means of flow cytometry, morphogranulometry and diffraction light scattering techniques. The results reflected no significant effect of pH and DO fluctuations on the macroscopic behavior (specific rates, yields, viability) of the yeast. Nevertheless, mycelial growth was induced upon exposure to both stressors, only in glucose-excess environments, suggesting therefore an impact of glucose levels on the regulation of dimorphic transition in Y. lipolytica. Controlling residual glucose concentrations in Y. lipolytica fermentations may contribute to a better monitoring of its morphological changes in response to environmental stimuli. Such data would help to optimize bioprocess performances at the industrial scale since it alleviates physico-chemical impacts due to filamentous cells.

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