Mantenir la homeòstasis de cations és essencial per la supervivència dels éssers vius, i en especial pels organismes unicel·lulars. El llevat Saccharomyces cerevisiae s’ha utilitzat al llarg dels anys com un organisme model per l’estudi del conjunt de processos que controlen els nivells intracel·lulars de cations. El potassi és el principal catió intracel·lular del llevat i està involucrat en diversos processos de la fisiologia d'aquest organisme. Per aquest motiu la seva homeòstasis està minuciosament controlada per un seguit de transportadors que permeten la seva captació, distribució intracel·lular i eliminació de la cèl·lula i per un conjunt de proteïnes reguladores d’aquests processos. Encara que es té constància de la rellevància del potassi en el llevat, les seves dianes específiques i les bases moleculars d’algunes de les seves funcions són poc conegudes.
En aquest treball, mitjançant aproximacions d’eliminació del potassi del medi de cultiu, s’han pogut determinar els mecanismes d’algunes de les funcions conegudes del potassi i descobrir-ne de noves. S’ha demostrat que la manca de potassi provoca profundes alteracions en el perfil transcripcional del llevat. Entre elles destaquen l’accentuada repressió del gens que codifiquen proteïnes ribosomals i elements necessaris per la síntesi del ribosoma, dotant d’explicació molecular al ja conegut bloqueig en la síntesi de proteïnes provocat per la manca de potassi. L’eliminació del potassi del medi també provoca una caiguda dels nivells dels aminoàcids cisteïna i metionina que condueix a una activació del gens relacionats amb el metabolisme del sulfat i la síntesi d’aminoàcids sulfurats. Igualment, la privació del potassi comporta una acumulació d’espècies reactives de l’oxigen que produeixen un estat d’estrès oxidatiu a la cèl·lula. Aquesta respon amb l’activació transcripcional dels gens necessaris per combatre l’estrès oxidatiu, eliminar els oxidants i retornar la cèl·lula a un correcte estat redox. El llevat creixent en un medi sense potassi i en presència d’amoni acumula grans quantitats d’amoni a l’interior cel·lular a través del transportador de potassi Trk1 aprofitant la similitud química d’ambdós cations. Aquesta acumulació d’amoni activa vies per la seva fixació i eliminació en forma d’aminoàcids com és la via retrograda mitocondrial. L’eliminació del potassi del medi atura la proliferació cel·lular. Els nostres resultats han demostrat que aquesta aturada podria ser deguda a la disminució de les ciclines i d’elements reguladors de la formació dels anells de septines que afecten la progressió del cicle cel·lular.
El potassi també l’hem relacionat amb la homeòstasi d’un nutrient essencial com és el fosfat. L’absència de potassi o la pertorbació de la entrada normal d’aquest catió indueix els gens involucrats en la obtenció i mobilització del fosfat, d’igual manera com ho faria la depleció o limitació del fosfat. En aquetes condicions, la resposta transcripcional d’aquets gens està regulada pels diferents elements que composen la via PHO. L’afectació en l’obtenció del potassi impacte en la normal homeòstasis del fosfat provocant la mobilització de les reserves emmagatzemades en forma de polifosfats. La limitació del potassi, però, no modifica els nivells de fosfat lliure intracel·lular però sí que provoca una caiguda del nivells d’ATP i d’ADP, que podrien ser el senyal d’activació de la via PHO. A més, la pertorbació de la homeòstasis del potassi afecta el creixement dels llevats en medis amb baixos nivells de fosfat.
El conjunt de dades obtingudes en aquest treball ha permès descobrir nous vincles entre la homeòstasis del potassi i diversos processos cel·lulars, a més de la connexió d’aquest catió amb la homeòstasis de nutrients com el nitrogen, el sulfat i el fosfat. / The maintenance of cation homeostasis is essential for the survival of all living organisms and especially for microorganisms. The yeast Saccharomyces cerevisiae has been used over the years as a model organism for study the processes that control intracellular cation levels. Potassium is the major intracellular cation in yeast and it has been associated with various relevant cellular processes. For this reason, potassium homeostasis is tightly controlled by several transporters, that allow the cation uptake, intracellular traffic and efflux, and by a set of proteins regulating these processes. In spite of the importance of potassium for yeast physiology, not all relevant functional potassium-related targets have been identified.
In this work, potassium starvation conditions are used to determine the mechanisms of some of the known potassium functions and to discover new ones. We show that lack of potassium causes major alterations in the transcriptional profile of yeast cells. These transcriptional changes include the marked repression of genes encoding ribosomal proteins and elements necessary for the synthesis and assembly of ribosomes, providing the molecular basis for previously observed halt in protein synthesis caused by potassium deprivation. The elimination of potassium from the medium also causes a drop in cysteine and methionine levels which lead to transcriptional activation of genes related to metabolism of sulfate and biosynthesis of sulfur-contain amino acids. Similarly, cells deprived for potassium accumulate reactive oxygen species which results in oxidative stress. Concomitantly, cells trigger the transcriptional activation of genes necessary to combat oxidative stress, eliminate oxidants and return cells to the proper redox state. Yeast cells growing on ammonium as nitrogen source but lacking potassium accumulate large amounts of intracellular ammonium, which is transported through Trk1 taking advantage of the chemical similarity of both cations. Ammonium accumulation activates the retrograde mitochondrial pathway, resulting in detoxification of ammonium by its integration into amino acids. The complete removal of potassium from the medium leads to growth arrest. Our results show that this arrest could be due to the decrease in cyclins levels and in proteins involved in the assembly of septin rings, elements that are necessary for cell cycle progression.
We also have related potassium to the homeostasis of other essential nutrients such as phosphate. Depletion of potassium from the medium or disturbance of normal potassium uptake induces genes involved in the acquisition and release of phosphate, as it is usually observed in a situation of phosphate starvation. Under these conditions, the transcription of PHO-controlled genes is activated by different regulatory elements of the PHO pathway. Situations that impact on normal potassium homeostasis also cause mobilization of the phosphate reserves stored in form of polyphosphates. Potassium restrictions, however, does not alter the levels of intracellular free phosphate but it causes a drop in the levels of ATP and ADP, which could be the signal for the activation of the PHO pathway. In addition, on media with low levels of phosphate, disruption of normal potassium homeostasis effects yeast growth.
The results obtained in this work have been crucial to uncover new links between potassium homeostasis and many important cellular processes, in particular establishing the link between the homeostasis of this cation with that of other essential nutrients such as nitrogen, sulfate, and phosphate.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/298180 |
| Date | 25 May 2015 |
| Creators | Canadell i Sala, David |
| Contributors | Ariño Carmona, Joaquín, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament d'Antropologia Social i de Prehistòria |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 222 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0142 seconds