Qualitative and quantitative study of the effect of osmotress on cell cycle of Saccharomyces cerevisiae

Abstract

Control of cell cycle by Stress Activated Protein Kinases (SAPKs) is an essential aspect for adaptation to extracellular stimuli. In Saccharomyces cerevisiae, the activation of the Hog1 SAPK, results in a delayed transcription of the G1 cyclins CLN1,2 and the stabilization of the B-type cyclin inhibitor SIC1, therefore postponing entry into S phase. The results displayed here, show, by a combination of mathematical modelling and quantitative in vivo experiments, that, before Start, the control of G1-S transition is mainly exerted by inhibiting expression of cyclins, both G1 (CLN1,2) and S phase (CLB5,6) cyclins. On the other hand, after Start, it is the phosphorylation and stabilization of Sic1 by Hog1 that becomes imperative to prevent inadequate firing of replication before adaptation. Therefore, we found that there is a distinct temporal role for Sic1 and cyclins on the G1 regulation by a SAPK in response to stress. We have also found that Hog1 induces a G2 delay, by down-regulating CLB2 transcription and phosphorylating Hsl1 to promote Hsl7 delocalization and subsequent accumulation of Swe1, an inhibitor of Clb1,2-Cdc28, and thus postponing anaphase. Altogether, we demonstrate novel Systems Biology approaches are useful to better understand how an intracellular signalling pathway incises on cell cycle control, beyond a mechanistic description, as well as showing how a single MAPK modulates different cell cycle checkpoints to improve cell survival upon stress.

El control del cicle cel·lular per Proteïna Cinases Activades per Estrès (SAPKs) es un aspecte essencial per a l'adaptació als estímuls extracel·lulars. A Saccharomyces cerevisiae, l'activació de la SAPK Hog1, resulta en un retardament de la transcripció de les ciclines de G1 (CLN1,2) i l'estabilització del inhibidor de les ciclines del tipus B, SIC1, i per tant posposa l'entrada en fase S. Els resultats que aquí s'exposen, mostren, mitjançant la combinació de modelatge matemàtic i experiments quantitatius in vivo, que, abans d'Start, el control de la transició es duu a terme principalment inhibint l'expressió de les ciclines, tant les de G1 (CLN1,2) com les de la fase S (CLB5,6). Per altra banda, després d'Start, la fosforilació i estabilització de Sic1 per part de Hog1 esdevé un fet necessari per a prevenir la iniciació de la replicació abans d'adaptar-se. Per tant, hem descobert aquí que la regulació de Sic1 i les ciclines juguen un paper diferent segons el moment en que apareix l'estrès. Hem descrit també, que Hog1 produeix una parada a G2 a través de la inhibició de la transcripció de CLB2 i la fosforilació d'Hsl1, la qual promou la deslocalització d'Hsl7 i la subsegüent estabilització de Swe1, un inhibidor específic de Clb1,2-Cdc28, i d'aquesta manera es posposa l'entrada en Anafase. Tot plegat, demostra que l'ús d'aproximacions pròpies de la Biologia de Sistemes és útil per a entendre de quina forma una via de senyalització intracel·lular incideix sobre el control del cicle cel·lular, mes enllà de la pura descripció de la mecànica del sistema. D'aquesta forma, proposem que una sola MAPK modula distints punts de control del cicle cel·lular per millorar la probabilitat de supervivència en front de l'estrès osmòtic.