The role of phospholipids and of the actin-binding protein cofilin in Saccharomyces cerevisiae acetic acid-induced apoptosis

Abstract

Several compounds and physiological conditions have been described to induce a programmed cell death (PCD) process in Saccharomyces cerevisiae that shares many of the morphological and biochemical hallmarks of mammalian apoptosis. This evidence makes this yeast a suitable model organism to solve some unanswered questions of apoptosis and of its regulation, namely in what regards the mitochondrial involvement. In animal cells, cardiolipin (CL) and phosphatidylserine (PS) have been shown to bear a fundamental role in apoptosis signaling. Since there was no information reported on the role of these lipids in yeast cell death, the aim of the present study was to elucidate their involvement in apoptosis induced by acetic acid. Our results show, through inhibition of CL synthesis (crd1Δ), that the presence of CL is not required for apoptosis to occur. Oppositely, the deletion of TAZ1, involved in CL maturation, results in higher survival. However, this mutant displays an early loss of the plasma membrane integrity and metabolic activity, suggesting that it is dying later but by a necrotic process. An identical profile was observed in cho1Δ mutant, lacking PS synthesis, suggesting that either the presence of mature CL or PS are fundamental to trigger apoptosis in yeast cells. Curiously, the absence of Ups1p, involved in the translocation of phosphatidic acid (PA) to the inner mitochondria membrane, lead to a higher resistance associated with higher preservation of the plasma membrane integrity, suggesting that PA or the phospholipids synthetized from PA are essential for yeast apoptosis. Similarly, the deletion of MDM10 or MDM12, encoding two proteins belonging to the ERMES (ERMitochondria Encounter Structure) complex which regulates the phospholipid trafficking between endoplasmic reticulum and mitochondria, results also in higher resistance. Although a decrease in levels of CL has been reported for all mutants, except cho1Δ, the differences observed suggest that these proteins can be involved in the synthesis or regulation of other phospholipids, whose levels inside the cell are able to mediate the cell death process. Cofilin, an actin-binding protein, appears be able to regulate a mitochondrial-mediated mammalian apoptosis. Although in yeast cells there is no information about its apoptotic role, preliminary data revealed that a stress-specific interaction between cofilin and Por1p could exist. Our results appear to indicate that, after acetic acid treatment, cofilin is translocated to mitochondria where, by interaction with Por1p, prevents the mitochondrial outer membrane permeabilization, functioning like Por1p as a negative regulator of apoptosis. Curiously, depending on the mutated cofilin residues, it has an opposite impact on acetic acid induced-apoptosis. In summary, our results show that the phospholipid composition of mitochondrial membranes and the cofilin translocation to this organelle seem to have an important role in the mediation of the apoptotic process induced by acetic acid. Identification of phospholipids or proteins involved in apoptosis regulation will provide novel strategies for the treatment of different pathologies associated with apoptosis dysfunctions such as cancer and neurodegenerative diseases.

A levedura Saccharomyces cerevisiae na presença de diferentes compostos tóxicos ou em condições fisiológicas específicas desencadeia uma morte celular programada (PCD) que partilha muitas das características morfológicas e bioquímicas da apoptose em mamíferos tornando esta levedura um modelo adequado para desvendar alguns dos mecanismos ainda por esclarecer da apoptose e da sua regulação, nomeadamente no que se refere ao envolvimento mitocondrial. Nas células animais, a cardiolipin (CL) e a fosfatidilserina (PS) mostraram ter um papel fundamental na sinalização da apoptose. Na levedura, no entanto, não existe informação relativa ao papel destes lípidos na morte celular, pelo que foi objectivo do presente trabalho estudar o envolvimento destas moléculas na apoptose induzida por ácido acético. Os nossos resultados mostram, através da inibição da síntese de CL (crd1Δ), que a presença de CL não é essencial para que apoptose ocorra. Contrariamente, a deficiência no gene TAZ1, envolvido na maturação da CL, resulta numa maior resistência. Contudo, este mutante perde a integridade da membrana plasmática e a actividade metabólica precocemente sugerindo a ocorrência de uma morte necrótica. Um perfil idêntico foi observado no mutante cho1Δ, onde não há síntese de PS, sugerindo que quer a presença de CL madura ou PS são fundamentais para desencadear apoptose na levedura. Curiosamente, a ausência da proteína Ups1p, envolvida na translocação de ácido fosfatídico (AP) para a membrana interna da mitocôndria, resulta numa maior resistência associada à preservação da integridade da membrana plasmática, sugerindo que o AP ou os fosfolípidos sintetizados a partir do AP são essenciais para este processo. Da mesma forma, a deficiência nos genes MDM10 e MDM12, que codificam duas proteínas do complexo ERMES (ER-Mitochondria Encounter Structure), que regula o tráfico de fosfolípidos entre o retículo endoplasmático e a mitocôndria, resulta também numa maior resistência. Embora em todos os mutantes, à excepção do cho1Δ, tenha sido descrita uma redução nos níveis de CL, as diferenças observadas sugerem que estas proteínas podem estar envolvidas na síntese ou regulação de outros fosfolípidos cujos níveis dentro da célula são capazes de mediar o processo de morte celular. A cofilina, uma proteína de ligação à actina, parece ser capaz de regular a apoptose mediada pela mitocôndria em mamíferos. Embora na levedura não exista qualquer informação acerca do seu papel na apoptose, dados preliminares mostraram que sob stresse podia existir uma interacção cofilina-Por1p. Os nossos resultados parecem indicar que, após tratamento com ácido acético, a cofilina é translocada para a mitocôndria onde, por interacção com o Por1p, inibe a permeabilização da membrana externa da mitocôndria, funcionando, tal como o Por1p, como um regulador negativo da apoptose. Curiosamente, dependendo dos resíduos da cofilina mutados, esta pode ter diferentes funções durante a apoptose induzida por ácido acético. Em resumo, os nossos resultados mostram que a composição em fosfolípidos das membranas mitocondriais e a translocação de cofilin para este organelo parecem ter um papel importante na mediação do processo de apoptose induzida por ácido acético. A identificação de fosfolipídios ou proteínas envolvidas na regulação da apoptose fornecerá novas estratégias para o tratamento de diferentes patologias associadas a disfunções na apoptose, tais como o cancro e doenças neurodegenerativas.