БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 3, с. 348–359

УДК 577.2

Роль генов LAM в гибели клеток дрожжей S. cerevisiae, вызванной высокой концентрацией полового феромона*

© 2020 С.С. Соколов 1**, К.В. Галкина 1, Е.А. Литвинова 2, Д.А. Кнорре 1,3, Ф.Ф. Северин 1

НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия; электронная почта: sviatoslav.sokolov@gmail.com

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва, Россия

Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации, 119992 Москва, Россия

Поступила в редакцию 03.11.2019
После доработки 21.01.2020
Принята к публикации 21.01.2020

DOI: 10.31857/S0320972520030057

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гены LAM, дрожжи, клеточная смерть, половой феромон, стерины.

Аннотация

Белки Lam1–Lam4 осуществляют невезикулярный транспорт стеринов из плазматической мембраны (ПМ) в эндоплазматический ретикулум, нарушение их работы приводит к увеличению содержания стеринов в ПМ. У животных гомологи белков Lam отвечают за интернализацию холестерина из плазмы крови. Биологическая роль дрожжевых белков Lam остается неясной, так как выраженные фенотипы у штаммов с делецией отдельных генов LAM не наблюдаются. Однако известно, что делеция LAM1(YSP1) препятствует регулируемой гибели клеток дрожжей Saccharomyces cerevisiae, вызванной половым феромоном. Мы исследовали, будет ли мутация по гену LAM2 также влиять на гибель клеток в присутствии избытка полового феромона и оценили характер генетических взаимодействий между LAM2 и генами, отвечающими за биосинтез эргостерина. Мы показали, что делеция LAM2 частично предотвращает гибель клеток дрожжей лабораторного штамма W303, вызванную половым феромоном. При этом делеция трех других генов LAM – LAM1, LAM3 и LAM4 – дополнительно не увеличивала этот эффект. Мутация в гене транскрипционного фактора UPC2, приводящая к избыточному накоплению стеринов в клетке (UPC2-1), приводила к увеличению выживаемости клеток в присутствии α-фактора и проявляла аддитивность с делецией LAM2. В то же время в лабораторном штамме BY4741 делеция LAM2 наоборот стимулировала гибель клеток, вызванную феромоном. Мы обнаружили, что делеция генов биосинтеза эргостерина ERG2 и ERG6 снижала эффект от делеции LAM2. В штамме Δerg4, в котором делетирован ген терминального этапа пути биосинтеза эргостерина, делеция LAM2 заметно увеличивала долю мертвых клеток и снижала скорость роста суспензионной культуры клеток этого штамма даже в отсутствие феромона. Мы предполагаем, что отсутствие эффекта от делеции гена LAM2 в штаммах Δerg6 и Δerg2 указывает на неспособность Lam2p транспортировать некоторые интермедиаты биосинтеза эргостерина, такие как ланостерин. В совокупности наши данные говорят о том, что роль белков Lam в клеточной смерти дрожжей, вызванной феромоном, обусловлена их воздействием на стериновый состав ПМ.

Сноски

* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM19-339, 24.02.2020.

** Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 18-14-00151) (рис. 1, 2, 4, 5, 6) и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-04-01183) (рис. 3).

Благодарности

Выражаем благодарность Василине Ефимовой за участие в получении двойных Δerg Δlam2 мутантов.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов исследований.

Список литературы

1. Nagata, S. (2018) Apoptosis and clearance of apoptotic cells, Annu. Rev. Immunol., 36, 489–517, doi: 10.1146/annurev-immunol-042617-053010.

2. Fuchs, Y., and Steller, H. (2015) Live to die another way: modes of programmed cell death and the signals emanating from dying cells, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 16, 329–344, doi: 10.1038/nrm3999.

3. Carmona-Gutierrez, D., Bauer, M.A., Zimmermann, A., Aguilera, A., Austriaco, N., et al. (2018) Guidelines and recommendations on yeast cell death nomenclature, Microb. Cell Fact., 5, 4–31, doi: 10.15698/mic2018.01.607.

4. Gordeeva, A.V., Labas, Y.A., and Zvyagilskaya, R.A. (2004) Apoptosis in unicellular organisms: mechanisms and evolution, Biochemistry (Moscow), 69, 1055–1066, doi: 10.1023/b:biry.0000046879.54211.ab.

5. Severin, F.F., Meer, M.V., Smirnova, E.A., Knorre, D.A., and Skulachev, V.P. (2008) Natural causes of programmed death of yeast Saccharomyces cerevisiae, Biochim. Biophys. Acta, 1783, 1350–1353, doi: 10.1016/j.bbamcr.2008.02.001.

6. Carmona-Gutierrez, D., Eisenberg, T., Büttner, S., Meisinger, C., Kroemer, G., and Madeo, F. (2010) Apoptosis in yeast: triggers, pathways, subroutines, Cell Death Differ., 17, 763–773, doi: 10.1038/cdd.2009.219.

7. Sukhanova, E.I., Rogov, A.G., Severin, F.F., and Zvyagilskaya, R.A. (2012) Phenoptosis in yeasts, Biochemistry (Moscow), 77, 761–775, doi: 10.1134/S0006297912070097.

8. Aouacheria, A., Cunningham, K.W., Hardwick, J.M., Palková, Z., Powers, T., Severin, F.F., and Váchová. L. (2018) Comment on «Sterilizing immunity in the lung relies on targeting fungal apoptosis-like programmed cell death», Science, 360, doi: 10.1126/science.aar6910.

9. Severin, F.F., and Hyman, A.A. (2002) Pheromone induces programmed cell death in S. cerevisiae, Curr. Biol., 12, R233–R235, doi: 10.1016/j.cellbi.2005.10.023.

10. Pozniakovsky, A.I., Knorre, D.A., Markova, O.V.,Hyman, A.A., Skulachev, V.P., and Severin, F.F. (2005) Role of mitochondria in the pheromone- and amiodarone-induced programmed death of yeast, J. Cell Biol., 168, 257–269, doi: 10.1083/jcb.200408145.

11. Ohsumi, Y., and Anraku, Y. (1985) Specific induction of Ca2+ transport activity in MATa cells of Saccharomyces cerevisiae by a mating pheromone, alpha factor, J. Biol. Chem., 260, 10482–10486.

12. Gupta, S.S., Ton, V.-K., Beaudry, V., Rulli, S., Cunningham, K., and Rao, R. (2003) Antifungal activity of amiodarone is mediated by disruption of calcium homeostasis, J. Biol. Chem., 278, 28831–28839, doi: 10.1074/jbc.M303300200.

13. Zhang, N.-N., Dudgeon, D.D., Paliwal, S., Levchenko, A., Grote, E., and Cunningham, K.W. (2006) Multiple signaling pathways regulate yeast cell death during the response to mating pheromones, Mol. Biol. Cell, 17, 3409–3422, doi: 10.1091/mbc.e06-03-0177.

14. Sokolov, S., Knorre, D., Smirnova, E., Markova, O., Pozniakovsky, A., Skulachev, V., and Severin, F. (2006) Ysp2 mediates death of yeast induced by amiodarone or intracellular acidification, Biochim. Biophys. Acta, 1757, 1366–1370, doi: 10.1016/j.bbabio.2006.07.005.

15. Gatta, A.T., Wong, L.H., Sere, Y.Y., Calderón-Noreña, D.M., Cockcroft, S., Menon, A.K., and Levine, T.P. (2015) A new family of StART domain proteins at membrane contact sites has a role in ER-PM sterol transport, Elife, 4, doi: 10.7554/eLife.07253.

16. Sandhu, J., Li, S., Fairall, L., Pfisterer, S.G., Gurnett, J.E., Xiao, X., Weston, T.A., Vashi, D., Ferrari, A., Orozco, J.L., Hartman, C.L., Strugatsky, D., Lee, S.D., He, C., Hong, C., Jiang, H., Bentolila, L.A., Gatta, A.T., Levine, T.P., Ferng, A., Lee, R., Ford, D.A., Young, S.G., Ikonen, E.,Schwabe, J.W.R., and Tontonoz, P. (2018) Aster proteins facilitate nonvesicularplasma membrane to ER cholesterol transport in mammalian cells, Cell, 175, 514–529.e20, doi: 10.1016/j.cell.2018.08.033.

17. Huang, W., Zhang, Z., Han, X., Tang, J., Wang, J., Dong, S., and Wang, E. (2002) Ion channel behavior of amphotericin B in sterol-free and cholesterol- or ergosterol-containing supported phosphatidylcholine bilayer model membranes investigated by electrochemistry and spectroscopy, Biophys. J., 83, 3245–3255, doi: 10.1016/S0006-3495(02)75326-5.

18. Sokolov, S., Vorobeva, M., Smirnova, E., Smirnova, A., Trushina, N., Galkina, K., Severin, F., and Knorre, D. (2020) LAM genes contribute to environmental stress tolerance but sensibilise yeast cells to azoles, Front. Microbiol., 11, 38, doi: 10.3389/fmicb.2020.00038.

19. Alli-Balogun, G.O., and Levine, T.P. (2019) Regulation of targeting determinants in interorganelle communication, Curr. Opin. Cell Biol., 57, 106–114, doi: 10.1016/j.ceb.2018.12.010.

20. Sokolov, S.S., Trushina, N.I., Severin, F.F., and Knorre, D.A. (2019) Ergosterol turnover in yeast: an interplay between biosynthesis and transport, Biochemistry (Moscow), 84, 346–357, doi: 10.1134/S0006297919040023.

21. Herskowitz, I., and Jensen, R.E. (1991) Putting the HO gene to work: practical uses for mating-type switching, in Methods in Enzymology, Academic Press, pp. 132–146, doi: 10.1016/0076-6879(91)94011-z.

22. Sträuber, H., and Müller, S. (2010) Viability states of bacteria – specific mechanisms of selected probes, Cytometry A, 77, 623–634, doi: 10.1002/cyto.a.20920.

23. Moser, M.J., Geiser, J.R., and Davis, T.N. (1996) Ca2+-calmodulin promotes survival of pheromone-induced growth arrest by activation of calcineurin and Ca2+-calmodulin-dependent protein kinase, Mol. Cell. Biol., 16, 4824–4831, doi: 10.1128/mcb.16.9.4824.

24. Crowley, J.H., Leak, F.W. Jr., Shianna, K.V., Tove, S., and Parks, L.W. (1998) A mutation in a purported regulatory gene affects control of sterol uptake in Saccharomyces cerevisiae, J. Bacteriol., 180, 4177–4183.

25. Joshua, I.M., and Höfken, T. (2017) From lipid homeostasis to differentiation: old and new functions of the zinc cluster proteins Ecm22, Upc2, Sut1 and Sut2, Int. J. Mol. Sci., 18, doi: 10.3390/ijms18040772.

26. Daum, G., Lees, N.D., Bard, M., and Dickson, R. (1998) Biochemistry, cell biology and molecular biology of lipids of Saccharomyces cerevisiae, Yeast, 14, 1471–1510, doi: 10.1002/(SICI)1097-0061(199812)14:16<1471::AID-YEA353>3.0.CO;2-Y.

27. Knorre, D.A., Ojovan, S.M., Saprunova, V.B., Sokolov, S.S., Bakeeva, L.E., and Severin, F.F. (2008) Mitochondrial matrix fragmentation as a protection mechanism of yeast Saccharomyces cerevisiae, Biochemistry (Moscow), 73, 1254–1259, doi: 10.1134/s0006297908110126.

28. de Godoy, L.M.F., Olsen, J.V., Cox, J., Nielsen, M.L., Hubner, N.C., Fröhlich, F., Walther, T.C., and Mann, M. (2008) Comprehensive mass-spectrometry-based proteome quantification of haploid versus diploid yeast, Nature, 455, 1251–1254, doi: 10.1038/nature07341.

29. Peng, M., Taouatas, N., Cappadona, S., van Breukelen, B., Mohammed, S., Scholten, A., and Heck, A.J.R. (2012) Protease bias in absolute protein quantitation, Nat. Methods, 9, 524–525, doi: 10.1038/nmeth.2031.

30. Kulak, N.A., Pichler, G., Paron, I., Nagaraj, N., and Mann, M. (2014) Minimal, encapsulated proteomic-sample processing applied to copy-number estimation in eukaryotic cells, Nat. Methods, 11, 319–324, doi: 10.1038/nmeth.2834.

31. Maresova, L., Muend, S., Zhang, Y.-Q., Sychrova, H., and Rao, R. (2009) Membrane hyperpolarization drives cation influx and fungicidal activity of amiodarone, J. Biol. Chem., 284, 2795–2802, doi: 10.1074/jbc.M806693200.

32. Zweytick, D., Hrastnik, C., Kohlwein, S.D., and Daum, G. (2000) Biochemical characterization and subcellular localization of the sterol C-24(28) reductase, erg4p, from the yeast Saccharomyces cerevisiae, FEBS Lett., 470, 83–87, doi: 10.1016/s0014-5793(00)01290-4.

33. Liu, G., Chen, Y., Færgeman, N.J., and Nielsen, J. (2017) Elimination of the last reactions in ergosterol biosynthesis alters the resistance of Saccharomyces cerevisiae to multiple stresses, FEMS Yeast Res., 17, doi: 10.1093/femsyr/fox063.

34. Parks, L.W., and Casey, W.M. (1995) Physiological implications of sterol biosynthesis in yeast, Annu. Rev. Microbiol., 49, 95–116, doi: 10.1146/annurev.mi.49.100195.000523.

35. Jiménez-Munguia, I., Volynsky, P.E., Batishchev, O.V., Akimov, S.A., Korshunova, G.A., Smirnova, E.A., Knorre, D.A., Sokolov, S.S., and Severin, F.F. (2019) Effects of sterols on the interaction of SDS, benzalkoniumchloride, and anovel compound, Kor105, with membranes, Biomolecules, 9, doi: 10.3390/biom9100627.

36. Höfken, T. (2017) Ecm22 and Upc2 regulate yeast mating through control of expression of the mating genes PRM1 and PRM4, Biochem. Biophys. Res. Commun., 493, 1485–1490, doi: 10.1016/j.bbrc.2017.10.005.

37. Kodedová, M., and Sychrová, H. (2015) Changes in the sterol composition of the plasma membrane affect membrane potential, salt tolerance and the activity of multidrug resistance pumps in Saccharomyces cerevisiae, PLoS One, 10, e0139306, doi: 10.1371/journal.pone.0139306.

38. Hongay, C., Jia, N., Bard, M., and Winston, F. (2002) Mot3 is a transcriptional repressor of ergosterol biosynthetic genes and is required for normal vacuolar function in Saccharomyces cerevisiae, EMBO J., 21, 4114–4124, doi: 10.1093/emboj/cdf415.

39. Zhang, Y.-Q., Gamarra, S., Garcia-Effron, G., Park, S., Perlin, D.S., and Rao, R. (2010) Requirement for ergosterol in V-ATPase function underlies antifungal activity of azole drugs, PLoS Pathog., 6, e1000939, doi: 10.1371/journal.ppat.1000939.