Importance of yeast metacaspase in metabolic pathways and in programmed cell death: an integrated “omics” approach

Abstract

This PhD work focuses on the effect of metacaspase gene deletion on W303-1B Saccharomyces cerevisiae metabolism and programmed cell death. In the first section, we have analyzed the proteome and metabolome of wild type and yca1 cells to better understanding physiological role of YCA1. Our results increased the knowledge about cellular process and proteins whose roles and function depend on YCA1 in yeast. The data obtained show a role of YCA1 in the modulation of central carbon metabolism as well as amino acid and nucleotide metabolism. YCA1 deletion appears to down-regulate glycolysis, TCA cycle and alcoholic fermentation as compared with WT cells. Δyca1 cells also showed a down-regulation of PPP and an accumulation of pyruvate, correlated with higher levels of certain amino acids found in these cells. Accordingly, there is a decrease in protein biosynthesis and protein transport/folding, and accumulation of various stress response proteins like Ahp1p, which possibly provides these cells with a better protection against stress. In the second part of this work, we have focused our attention on the apoptotic role of metacaspase, studying proteomic and metabolomic state during acetic acid-induced programmed cell death in wild type and yca1 cells. Although a common decrease in glycolytic cycle enzymes and shift towards the pentose phosphate pathway happened in both cases, WT cells seem to be more affected. Moreover, it could be in relation to the presence of metacaspases and its biochemical function, this allowed us to conclude that metacaspase could has a key role for the shift from glycolysis to pentose phosphate pathway during death. We have also discussed a pro-apoptotic mechanism YCA1-indipendent that involve FAS2 protein. The activation of Ceramides (C18, C16, and 20), in our opinion, can trigger apoptosis. It is likely that the gene has a role on FAS2 regulation. Furthermore, this study emphasized the central role of metacaspase gene in proteolysis, because its presence or absence influence the expression of ubiquitin proteasome pathway through the modulation of crucial proteins.

Questo lavoro di dottorato si concentra sullo studio degli effetti della delezione del gene della metacaspase di lievito sui processi metabolici e sulla morte cellulare programmata di Saccharomyces cerevisiae W303-1B. Nella prima sezione, abbiamo analizzato il proteoma e il metaboloma di cellule wild type e cellule yca1 per comprendere meglio il ruolo fisiologico di YCA1. I nostri risultati hanno aumentato la conoscenza dei processi e delle proteine i cui ruoli e funzioni dipendono YCA1. I dati ottenuti mostrano un ruolo YCA1 nella modulazione del metabolismo centrale del carbonio, così come del metabolismo aminoacidico e nucleotidico. La delezione di YCA1 sembra down-regolare la glicolisi, il ciclo di Krebs e la fermentazione alcolica rispetto a quello che avviene nelle cellule wild type. Le cellule Δyca1 hanno mostrato un down-regulazione del ciclo dei pentosi fosfato e un accumulo di piruvato, correlata con livelli più elevati di alcuni aminoacidi presenti in queste cellule. Di conseguenza, vi è una diminuzione della biosintesi delle proteine e di proteine di trasporto/folding, e l'accumulo di proteine di risposta allo stress come Ahp1p, che fornisce a queste cellule una migliore protezione contro lo stress. Nella seconda parte di questo lavoro, abbiamo focalizzato la nostra attenzione sul ruolo apoptotico della metacaspase, studiando lo stato proteomico e metabolomico durante la morte cellulare programmata indotta da acido acetico cellule wild type e cellule yca1. Sebbene si abbia una diminuzione degli enzimi del ciclo glicolitico e uno spostamento verso la via dei pentosi fosfati in entrambi i casi, le cellule WT sembrano essere più proni a questo cambiamento. Siccome questo evento potrebbe essere in relazione con la presenza della metacaspasi e la sua funzione biochimica, questo permette di concludere che la metacaspase potrebbe ha un ruolo chiave per il passaggio dalla glicolisi alla via dei pentosi fosfati durante la morte. Abbiamo anche ipotizzato un meccanismo pro-apoptotico YCA1-indipendente che coinvolge la proteina FAS2. L'attivazione di ceramidi (C18, C16, e 20), a nostro avviso, può innescare l'apoptosi. È probabile che il gene abbia un ruolo nella regolazione di FAS2. Inoltre, questo studio ha sottolineato il ruolo centrale del gene della metacaspase nella proteolisi, perché la sua presenza o assenza influenza l'espressione del pathway di ubiquitinazione attraverso la modulazione di proteine chiave di questo meccanismo.