Identification of genes involved in the regulation of acetic acid-induced programmed cell death

Abstract

O ácido acético é um ácido carboxílico fraco produzido no final da fermentação alcoólica conduzida por Saccharomyces cerevisiae. É um agente tóxico presente em diferentes processos biotecnológicos, tais como na produção de vinho ou etanol e está frequentemente associado com a inibição da fermentação. Por outro lado, os seus efeitos tóxicos levaram a que fosse usado como conservante de alimentos, mas a resistência de leveduras a este ácido limita a sua eficiência causando grandes perdas económicas. Foi descoberto recentemente que o ácido acético desencadeia um processo de morte celular programada (PCD). Este dado fornece uma nova base para o melhoramento genético de estirpes mais resistentes ao ácido e pode também dar pistas para o desenvolvimento de estratégias mais eficientes de preservação de alimentos. Neste contexto, o objectivo deste trabalho consistiu na identificação de genes envolvidos na regulação da PCD induzida por ácido acético. Foi descoberto anteriormente que a deficiência no gene SFL1 que codifica para um fator de transcrição, aumenta a sobrevivência celular na presença de ácido acético. Propusemo-nos assim estudar o papel de genes potenciais reguladores ou alvos do SFL1 sob condição de PCD induzida por ácido acético. Os resultados obtidos sugerem que o efeito do SFL1 na PCD induzida por ácido acético não é mediado através da transcrição controlada dos genes SPI1, FLO11, HSP26, SPI1, FMP45, YMR173-A e YJR115W. A única exceção foi observada para a estirpe ycr006cΔ que apresentou um fenótipo resistente consistente com a activação da expressão do gene pelo Sfl1p. Estes resultados sugerem que o Sfl1p pode ter outros alvos ou que os efeitos da regulação destes genes pelo SFL1 sob condições de indução de PCD por ácido acético diferem das descritas na literatura (e.g. stress por etanol). Numa tentativa de identificar o maior número de genes envolvidos na regulação da PCD induzida por ácido acético realizamos uma análise à escala do genoma. Para tal otimizamos e realizamos uma análise funcional com a colecção dos mutantes deficientes da Euroscarf. Este rastreio identificou, aproximadamente, 2140 e 324 genes que quando ausentes conferem resistência e sensibilidade à PCD induzida por ácido acético, respetivamente. Vários genes descritos noutros estudos (nossos e de outros autores) como conferindo resistência (e.g. MCA1, ATP10, TPK3, KEX1, ISC1, CYC7, HTA1, FMP45) ou sensibilidade (e.g. POR1, ATP2, IMP1) à PCD induzida por ácido acético foram encontrados nos nossos conjuntos de resultados, validando a abordagem fenotípica. Por fim, os resultados obtidos contribuem para uma melhor caraterização da PCD induzida por ácido acético e fornecem informação sobre hipotéticos alvos para o seu controlo.

Acetic acid is a weak carboxylic acid that is a normal by-product of the alcoholic fermentation carried out by Saccharomyces cerevisiae. It is a toxic agent present in different biotechnological processes, such as in wine or bioethanol production, and is frequently associated with impairment of fermentation. On the other hand, its toxic effects have prompted its use as a food preservative, but the resistance of some spoilage yeast to this acid limits its efficiency causing great economic losses. The more recent finding that acetic acid triggers an apoptotic like programmed cell death (PCD) process provides a new basis for future breeding strategies of industrial strains with improved cell survival, and may also give clues for more efficient food preservation strategies. Therefore, we aimed to identify genes involved in the regulation of acetic acid-induced PCD. It was previously found that deletion of SFL1, encoding a transcription factor, originates an increase in cell survival in the presence of acetic acid. The role of several genes potential regulators or targets of SFL1 under acetic acid induced-PCD was studied in this work. The results suggest that the effect of Sfl1p in acetic acid-induced PDC does not take place through the controlled transcription of SPI1, FLO11, HSP26, SPI1, FMP45, YMR173-A and YJR115W. The only exception was for the ycr006cΔ deletion strain for which the resistance phenotype was consistent with its reported activation of expression of the gene by Sfl1p. As a whole the results suggest that Sfl1p may have other targets or the effects of Sfl1p regulation on these genes under acetic acid stress differ from those described in the literature (e.g. ethanol stress). Aiming to identify a higher number of genes potentially involved in the regulation of acetic acid-induced PCD we performed a genome-wide analysis. To this end, we optimized and carried out a functional analysis of the Euroscarf knock-out mutant collection. This screening uncovered approximately, 2140 and 324 genes whose deletion conferred resistance and sensitivity to acetic acid-induced PCD, respectively. Several of the genes identified in the present study were previously described in other screenings. Also, genes previously shown (our and others results) to confer resistance (e.g. MCA1, ATP10, TPK3, KEX1, ISC1, CYC7, HTA1, FMP45) or sensitivity (e.g. POR1, ATP2, IMP1) to acetic acid‐induced PCD were found in our data sets, validating the phenotypic approach developed herein. The results obtained contribute to further characterize acetic acid-induced PCD, and provide information on new putative targets for its control.