Knockout mutations in the genes encoding phosphate transporters impair adaptation of Saccharomyces cerevisiae to ethanol consumption

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Phosphate transporters in yeast cells are responsible for phosphorus homeostasis, and also indirectly involved in the regulation of various adaptive processes. One of these processes is the adaptation to ethanol consumption, which requires significant changes in phosphorus metabolism. We demonstrated that knockout mutations in the genes encoding phosphate transporters PHO87, PHO89, PHO90 and PHO91 impair adaptation of Saccharomyces cerevisiae to ethanol consumption at ethanol concentration of 4%. For these mutant strains an extension of the lag phase and in a decrease in the growth rate at the active stage was observed when the cells were cultivated in the medium with 4% ethanol. Mutant cells differ in the content of inorganic polyphosphates, but not orthophosphate, from the parental strain: they contain less long-chain polyphosphates when cultivated on ethanol, but not on glucose. When cultivated on a medium containing 4% ethanol, a strain with a knockout mutation in the PHO84 gene, encoding the transporter of phosphate and divalent metals, as well as knockout strains for the PHM6 and PHM7 genes, responsible for the polyphosphate overplus, did not show any growth differences compared with parent strain in a medium with 4% ethanol. The possible role of phosphate transporters and inorganic polyphosphates in the adaptation of yeast to ethanol consumption is discussed.

Full Text

Restricted Access

About the authors

L. А. Ledova

Federal Research Center “Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences”

Author for correspondence.
Email: alla@ibpm.ru

Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms

Russian Federation, 142290, Pushchino

L. P. Ryazanova

Federal Research Center “Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences”

Email: alla@ibpm.ru

Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms

Russian Federation, 142290, Pushchino

T. V. Kulakovskaya

Federal Research Center “Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences”

Email: alla@ibpm.ru

Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms

Russian Federation, 142290, Pushchino

References

  1. Андреева Н. А., Кулаковская Т. В., Кулаковская Е. В., Кулаев И. С. Полифосфаты и экзополифосфатазы в цитозоле и митохондриях Saccharomyces cerevisiae при культивировании на глюкозе и этаноле в условиях гиперкомпенсации по фосфату // Биохимия. 2008. Т. 73. С. 80‒85.
  2. Andreeva N. A., Kulakovskaya T. V., Kulakovskaya E. V., Kulaev I. S. Polyphosphates and exopolyphosphatases in cytosol and mitochondria of Saccharomyces cerevisiae during growth on glucose or ethanol under phosphate surplus // Biochemistry (Moscow). 2008. V. 73. P. 65‒69.
  3. Вагабов В. М., Трилисенко Л. В., Кочеткова О. Ю., Ильченко А. П., Кулаев И. С. Влияние m-хлоркабонилцианидфенилгидразона на синтез неорганических полифосфатов Saccharomyces cerevisiae в разных условиях роста // Микробиология. 2011. Т. 80. С. 18‒23.
  4. Vagabov V. M., Trilisenko L. V., Kochetkova O. Y., Ilchenko A. P., Kulaev I. S. Effect of m-carbonyl cyanide 3-chlorophenylhydrazone on inorganic polyphosphates synthesis in Saccharomyces cerevisiae under different growth conditions // Microbiology (Moscow). 2011. V. 80. P. 15–20.
  5. Розанов А. С., Котенко А. В., Акбердин И. Р., Пельтек С. Е. Рекомбинантные штаммы Saccharomyces cerevisiae для получения этанола из растительной биомассы // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2014. Т. 18. С. 989‒998.
  6. Трилисенко Л. В., Валиахметов А. Я., Кулаковская Т. В. Физиологические особенности Saccharomyces cerevisiae при сверхэкспрессии полифосфатазы Pрх1 // Микробиология. 2023. Т. 92. С. 396–403.
  7. Trilisenko L. V., Valiakhmetov A.Ya., Kulakovskaya T. V. Physiological characteristics of Saccharomyces cerevisiae strain overexpressing polyphosphatase Ppx1 // Microbiology (Moscow). 2023. V. 92. P. 545‒551.
  8. Эльдаров М. А., Кишковская С. А., Танащук Т. Н., Марданов А. В. Геномика и биохимия винных штаммов дрожжей Saccharomyces cerevisiae // Успехи биологической химии. 2016. Т. 56. С. 155–196.
  9. Andreeva N., Ledova L., Ryazanova L., Tomashevsky A., Kulakovskaya T., Eldarov M. Ppn2 endopolyphosphatase overexpressed in Saccharomyces cerevisiae: comparison with Ppn1, Ppx1, and Ddp1 polyphosphatases // Biochimie. 2019. V. 163. P. 101‒107.
  10. Andreeva N., Ryazanova L., Ledova L., Trilisenko L., Kulakovskaya T. Stress resistance of Saccharomyces cerevisiae strains overexpressing yeast polyphosphatases // Stresses. 2022. V. 2. P. 17–25.
  11. Auesukaree C. Molecular mechanisms of the yeast adaptive response and tolerance to stresses encountered during ethanol fermentation // J. Biosci. Bioeng. 2017. V. 124. P. 133–142.
  12. Bubis J. A., Spasskaya D. S., Gorshkov V. A., Kjeldsen F., Kofanova A. M., Lekanov D. S., Gorshkov M. V., Karpov V. L., Tarasova I. A., Karpov D. S. Rpn4 and proteasome-mediated yeast resistance to ethanol includes regulation of autophagy // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2020. V. 104. P. 4027‒4041.
  13. Denoncourt A., Downey M. Model systems for studying polyphosphate biology: a focus on microorganisms // Curr. Genet. 2021. V. 67. P. 331–346.
  14. Eskes E., Deprez M. A., Wilms T., Winderickx J. pH homeostasis in yeast; the phosphate perspective // Curr. Genet. 2018. V. 64. P. 155‒161.
  15. Ghillebert R., Swinnen E., De Snijder P., Smets B., Winderickx J. Differential roles for the low-affinity phosphate transporters Pho87 and Pho90 in Saccharomyces cerevisiae // Biochem. J. 2011. V. 434. P. 243‒251.
  16. Kulakovskaya E., Zvonarev A., Kulakovskaya T. PHM6 and PHM7 genes are essential for phosphate surplus in the cells of Saccharomyces cerevisiae // Arch. Microbiol. 2023. V. 205. Art. 47.
  17. Ma M., Liu Z. L. Mechanisms of ethanol tolerance in Saccharomyces cerevisiae // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2010. V. 87. P. 829‒845.
  18. Rao N. N., Gómez-García M.R., Kornberg A. Inorganic polyphosphate: essential for growth and survival // Annu. Rev. Biochem. 2009. V. 78. P. 605–647.
  19. Sahana G. R., Balasubramanian B., Joseph K. S., Pappuswamy M., Liu W.-C., Meyyazhagan A., Kamyab H., Chelliapan S., Biljo V. J. A review on ethanol tolerance mechanisms in yeast: current knowledge in biotechnological applications and future directions // Process Biochemistry. 2024. V. 138. P. 1‒13.
  20. Stanley D., Bandara A., Fraser S., Chambers P. J., Stanley G. A. The ethanol stress response and ethanol tolerance of Saccharomyces cerevisiae // J. Appl. Microbiol. 2010. V. 109. P. 13‒24.
  21. Vagabov V. M., Trilisenko L. V., Kulakovskaya T. V., Kulaev I. S. Effect of a carbon source on polyphosphate accumulation in Saccharomyces cerevisiae // FEMS Yeast Res. 2008. V. 8. P. 877‒882.
  22. Wolf I. R., Marques L. F., de Almeida L. F., Lázari L. C., de Moraes L. N., Cardoso L. H., Alves C. C.d.O., Nakajima R. T., Schnepper A. P., Golim M.d.A., et al. Integrative analysis of the ethanol tolerance of Saccharomyces cerevisiae // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. Art. 5646.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Growth of strain BY4741 (wt) on YP media with 1% ethanol (1), 4% ethanol (2) and 7% ethanol (3).

Download (17KB)
3. Fig. 2. Growth of strain BY4741 (wt) and knockout mutant strains for phosphate transporter genes on YP medium with 4% ethanol: 1 – wt; 2 – Δpho87; 3 – Δpho90; 4 – Δpho91; 5 – Δpho89.

Download (19KB)
4. Fig. 3. Phosphate concentration in the medium before cultivation (A) and after cultivation of S. cerevisiae strains in YPD medium with 2% glucose (B) and YP with 4% ethanol (B): 1 – wt strain; 2 – Δpho87 strain. Statistical significance was assessed relative to the data for the wt strain using Student’s t-test, using the standard Excel program: B – p < 0.01; A and B – the difference is statistically insignificant.

Download (10KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».