Нарушение транспортёров стеринов семейства Lam приводит к дефектам споруляции у дрожжей Saccharomyces cerevisiae

Аннотация

Основная роль стеринов в клетке – поддержка барьерной функции плазматической мембраны (ПМ), поэтому их концентрация в этом компартменте максимальна среди всех клеточных мембран. У дрожжей Saccharomyces cerevisiae транспорт стеринов между различными мембранными компартментами клетки обеспечивается белками семейств Osh и Lam. Считается, что белки Lam1–Lam4 осуществляют пассивный транспорт стеринов из ПМ в мембраны эндоплазматического ретикулума (ЭР). Белки Lam5–Lam6 переносят стерины в местах контактов ЭР с вакуолями и митохондриями. Делеция генов семейства LAM не снижает скорость роста клеток в стандартных условиях, поэтому биологическая роль этих белков остаётся не до конца ясной. В данной работе высказывается предположение, что белки семейства Lam могут играть роль в спорообразовании дрожжей, поскольку плазматическая мембрана спор формируется de novo из везикул, образованных мембранами ЭР, менее насыщенных стеринами, чем ПМ, что обусловливает потребность в транспорте стерина в новообразующуюся ПМ спор. Для проверки этой гипотезы были получены диплоидные штаммы, в которых в гомозиготном состоянии были делетированы гены LAM1–LAM4 и LAM5–LAM6. Было показано, что одновременная делеция генов LAM5–LAM6 снижает как долю асков в культуре, так и количество спор в каждом аске. В то же время одновременная делеция генов LAM1–LAM4 приводила к снижению доли полных асков, но не ингибировала инициацию спорообразования. Также было обнаружено, что делеция генов LAM1–LAM4 приводит к утолщению клеточной стенки и появлению дефектов в её строении. У поверхности клеточной стенки таких спор были обнаружены кластеры осмиофильных везикул. Споры с делецией генов семейства LAM демонстрировали сниженную резистентность к тепловому шоку и щёлочи. В совокупности наши данные указывают на то, что транспорт стеринов белками семейства Lam важен для нормального протекания процесса спорообразования.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

С.С. Соколов, Д.А. Кнорре и Ф.Ф. Северин – концепция, руководство работой, написание текста статьи; Е.Д. Сурикова, Е.А. Бартыш, Е.А. Смирнова – получение штаммов, проведение экспериментов с клетками; С.А. Голышев – электронная микроскопия.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 23‑14‑00172).

Благодарности

Часть используемого оборудования была приобретена в рамках программы развития МГУ ПНР 5.13.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

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

Список литературы

1. Schneiter, R., Brügger, B., Sandhoff, R., Zellnig, G., Leber, A., Lampl, M., Athenstaedt, K., Hrastnik, C., Eder, S., Daum, G., Paltauf, F., Wieland, F. T., and Kohlwein, S. D. (1999) Electrospray ionization tandem mass spectrometry (ESI-MS/MS) analysis of the lipid molecular species composition of yeast subcellular membranes reveals acyl chain-based sorting/remodeling of distinct molecular species en route to the plasma membrane, J. Cell Biol., 146, 741-754, https://doi.org/10.1083/jcb.146.4.741.

2. Lange, Y., Swaisgood, M. H., Ramos, B. V., and Steck, T. L. (1989) Plasma membranes contain half the phospholipid and 90% of the cholesterol and sphingomyelin in cultured human fibroblasts, J. Biol. Chem., 264, 3786-3793, https://doi.org/10.1016/S0021-9258(19)84918-9.

3. Brügger, B., Sandhoff, R., Wegehingel, S., Gorgas, K., Malsam, J., Helms, J. B., Lehmann, W. D., Nickel, W., and Wieland, F. T. (2000) Evidence for segregation of sphingomyelin and cholesterol during formation of COPI-coated vesicles, J. Cell Biol., 151, 507-518, https://doi.org/10.1083/jcb.151.3.507.

4. Baumann, N. A., Sullivan, D. P., Ohvo-Rekilä, H., Simonot, C., Pottekat, A., Klaassen, Z., Beh, C. T., and Menon, A. K. (2005) Transport of newly synthesized sterol to the sterol-enriched plasma membrane occurs via nonvesicular equilibration, Biochemistry, 44, 5816-5826, https://doi.org/10.1021/bi048296z.

5. Sullivan, D. P., Ohvo-Rekilä, H., Baumann, N. A., Beh, C. T., and Menon, A. K. (2006) Sterol trafficking between the endoplasmic reticulum and plasma membrane in yeast, Biochem. Soc. Trans., 34, 356-358, https://doi.org/10.1042/BST0340356.

6. Wong, L. H., and Levine, T. P. (2016) Lipid transfer proteins do their thing anchored at membrane contact sites… but what is their thing? Biochem. Soc. Trans., 44, 517-527, https://doi.org/10.1042/BST20150275.

7. Fenech, E. J., Kupervaser, M., Boshnakovska, A., Ravid, S., Castro, I. G., Asraf, Y., Callegari, S., Lenz, C., Urlaub, H., Rehling, P., and Schuldiner, M. (2025) Profiling the LAM family of contact site tethers provides insights into their regulation and function, Contact (Thousand Oaks), 8, 25152564251321770, https://doi.org/10.1177/25152564251321770.

8. Sokolov, S. S., Zyrina, A. N., Akimov, S. A., and Severin, F. F. (2025) Interrelationship between the non-vesicular transport of sterols and their distribution between the rafts and the non-raft phase of the plasma membrane, Biochemistry (Moscow), 90, 321-333, https://doi.org/10.1134/S0006297924604313.

9. Jiménez-Munguía, 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, benzalkonium chloride, and a novel compound, Kor105, with membranes, Biomolecules, 9, 627, https://doi.org/10.3390/biom9100627.

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

11. Sokolov, S. S., Popova, M. M., Pohl, P., Horner, A., Akimov, S. A., Kireeva, N. A., Knorre, D. A., Batishchev, O. V., and Severin, F. F. (2022) Structural role of plasma membrane sterols in osmotic stress tolerance of yeast Saccharomyces cerevisiae, Membranes (Basel), 12, 1278, https://doi.org/10.3390/membranes12121278.

12. Sokolov, S. S., Volynsky, P. E., Zangieva, O. T., Severin, F. F., Glagoleva, E. S., and Knorre, D. A. (2022) Cytostatic effects of structurally different ginsenosides on yeast cells with altered sterol biosynthesis and transport, Biochim. Biophys. Acta Biomembr., 1864, 183993, https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2022.183993.

13. Sokolov, S. S., Galkina, K. V., Litvinova, E. A., Knorre, D. A., and Severin, F. F. (2020) The role of LAM genes in the pheromone-induced cell death of S. cerevisiae yeast, Biochemistry (Moscow), 85, 300-309, https://doi.org/10.1134/S0006297920030050.

14. Neiman, A. M. (2011) Sporulation in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, Genetics, 189, 737-765, https://doi.org/10.1534/genetics.111.127126.

15. Deng, L., Nagasawa, J., Ono, Y., Ishikawa, Y., Kakihara, T., Fukuda, R., and Ohta, A. (2008) Manipulation of major membrane lipid synthesis and its effects on sporulation in Saccharomyces cerevisiae, Biosci. Biotechnol. Biochem., 72, 2362-2368, https://doi.org/10.1271/bbb.80265.

16. Bar-Peled, L., and Lamming, D. W. (2023) mTOR gets greasy: lysosomal sensing of cholesterol, Cell Res., 33, 189-190, https://doi.org/10.1038/s41422-022-00740-9.

17. Toulmay, A., and Prinz, W. A. (2013) Direct imaging reveals stable, micrometer-scale lipid domains that segregate proteins in live cells, J. Cell Biol., 202, 35-44, https://doi.org/10.1083/jcb.201301039.

18. Weidberg, H., Moretto, F., Spedale, G., Amon, A., and van Werven, F. J. (2016) Nutrient control of yeast gametogenesis is mediated by TORC1, PKA and energy availability, PLoS Genet., 12, e1006075, https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1006075.

19. Wolfe, K. H. (2015) Origin of the yeast whole-genome duplication, PLoS Biol., 13, e1002221, https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002221.

20. Sherman, F. (2002) Getting started with yeast, Methods Enzymol., 350, 3-41, https://doi.org/10.1016/s0076-6879(02)50954-x.

21. Herskowitz, I., and Jensen, R. E. (1991) Putting the HO gene to work: practical uses for mating-type switching, Methods Enzymol., 194, 132-146, https://doi.org/10.1016/0076-6879(91)94011-z.

22. Harari, Y., Ram, Y., Rappoport, N., Hadany, L., and Kupiec, M. (2018) Spontaneous changes in ploidy are common in yeast, Curr. Biol., 28, 825-835.e4, https://doi.org/10.1016/j.cub.2018.01.062.

23. Gietz, R. D., and Sugino, A. (1988) New yeast-Escherichia coli shuttle vectors constructed with in vitro mutagenized yeast genes lacking six-base pair restriction sites, Gene, 74, 527-534, https://doi.org/10.1016/0378-1119(88)90185-0.

24. Coluccio, A. E., Rodriguez, R. K., Kernan, M. J., and Neiman, A. M. (2008) The yeast spore wall enables spores to survive passage through the digestive tract of Drosophila, PLoS One, 3, e2873, https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002873.

25. Venable, J. H., and Coggeshall, R. (1965) A simplified lead citrate stain for use in electron microscopy, J. Cell Biol., 25, 407-408, https://doi.org/10.1083/jcb.25.2.407.

26. Grossmann, G., Opekarová, M., Malinsky, J., Weig-Meckl, I., and Tanner, W. (2007) Membrane potential governs lateral segregation of plasma membrane proteins and lipids in yeast, EMBO J., 26, 1-8, https://doi.org/10.1038/sj.emboj.7601466.

27. 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, https://doi.org/10.1134/S0006297919040023.

28. 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, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2006.07.005.

29. Brown, H. E., Telzrow, C. L., Saelens, J. W., Fernandes, L., and Alspaugh, J. A. (2020) Sterol-response pathways mediate alkaline survival in diverse fungi, MBio, https://doi.org/10.1128/mBio.00719-20.

30. Liu, G., Gao, X.-D., and Nakanishi, H. (2020) Unique properties of the S. cerevisiae spore wall and its applications, Trends Glycosci. Glycotechnol., 32, E189-E193, https://doi.org/10.4052/tigg.1837.1e.

31. Lesage, G., and Bussey, H. (2006) Cell wall assembly in Saccharomyces cerevisiae, Microbiol. Mol. Biol. Rev., 70, 317-343, https://doi.org/10.1128/MMBR.00038-05.

32. Scherrer, R., Louden, L., and Gerhardt, P. (1974) Porosity of the yeast cell wall and membrane, J Bacteriol, 118, 534-540, https://doi.org/10.1128/jb.118.2.534-540.1974.

33. Wilhelm, L. P., Voilquin, L., Kobayashi, T., Tomasetto, C., and Alpy, F. (2019) Intracellular and plasma membrane cholesterol labeling and quantification using filipin and GFP-D4, Methods Mol. Biol., 1949, 137-152, https://doi.org/10.1007/978-1-4939-9136-5_11.

34. Eastwood, M. D., and Meneghini, M. D. (2015) Developmental coordination of gamete differentiation with programmed cell death in sporulating yeast, Eukaryot. Cell, 14, 858-867, https://doi.org/10.1128/EC.00068-15.

35. Eastwood, M. D., Cheung, S. W. T., Lee, K. Y., Moffat, J., and Meneghini, M. D. (2012) Developmentally programmed nuclear destruction during yeast gametogenesis, Dev. Cell, 23, 35-44, https://doi.org/10.1016/j.devcel.2012.05.005.

36. Tanaka, S., and Tani, M. (2018) Mannosylinositol phosphorylceramides and ergosterol coordinately maintain cell wall integrity in the yeast Saccharomyces cerevisiae, FEBS J., 285, 2405-2427, https://doi.org/10.1111/febs.14509.

37. Hsu, T.-H., Chen, R.-H., Cheng, Y.-H., and Wang, C.-W. (2017) Lipid droplets are central organelles for meiosis II progression during yeast sporulation, Mol. Biol. Cell, 28, 440-451, https://doi.org/10.1091/mbc.E16-06-0375.

38. Murley, A., Yamada, J., Niles, B. J., Toulmay, A., Prinz, W. A., Powers, T., and Nunnari, J. (2017) Sterol transporters at membrane contact sites regulate TORC1 and TORC2 signaling, J. Cell Biol., 216, 2679-2689, https://doi.org/10.1083/jcb.201610032.