Mikrobiologie Vorlesung: Crabtree-Effekt & Hefen PDF

MIKROBIOLOGIE VORLESUNG TEIL 9 CRABTREE-EFFEKT, HEFE-GENOMEVOLUTION Hochschule Geisenheim University Institut für Mikrobiologie und Biochemie Prof. Dr. Jürgen Wendland 1 Topic of the day Evolution von Saccharomy...

MIKROBIOLOGIE VORLESUNG TEIL 9 CRABTREE-EFFEKT, HEFE-GENOMEVOLUTION Hochschule Geisenheim University Institut für Mikrobiologie und Biochemie Prof. Dr. Jürgen Wendland 1 Topic of the day Evolution von Saccharomyces: ▪ Was macht einen Superfermenter aus? ▪ Eine Geschichte von Gier und Habsucht ▪ Crabtree Effekt: was haben S. cerevisiae und Krebszellen gemein? ▪ Genome evolution 2 Was macht Saccharomyces cerevisiae zu einem so erfolgreichen Fermentationsstamm? 3 Hefevorkommen Saccharomyces is not abundant in the vineyard… so why is it dominating fermentations? 4 N,Z, Jl agric. Res. 9: 98-107 Warum Saccharomyces cerevisiae? Post-WGD Pre-WGD 100-150 mio a 20 mio a Cretaceous 65 mio a Extinction of the dinosaurs WGD: Whole Genome Duplication Stegosaurus 5 Warum Saccharomyces cerevisiae? Jure Piskur 1960-2014 PLOS ONE | January 24, 2015 6 Warum Saccharomyces cerevisiae? Fermentationsleistung in Abhängigkeit der Gärtemperatur Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces paradoxus C >25° Saccharomyces mikatae Saccharomyces jurei Saccharomyces arboricola Saccharomyces kudriavzevii RF Rf F f CO2 EtOH ▪ Eigentlich sollten GF und RF co-reguliert sein. ▪ Der Überschuss an NADH erfordert jedoch eine Verbrauchsreaktion. ▪ Dies geschieht durch Glycerolbildung oder durch Alkoholische Fermentation CO2 (FF). Ethanol ▪ Hochregulation der Glykolyse erlaubte die Erzeugung von mehr Energie und den CO2 Verbrauch von mehr Glukose unter anaeroben Bedingungen. ▪ Die Erzeugung von Ethanol erlaubt die Eroberung einer Nische. Biomasse 12 GF= RF+FF Die Evolution des Crabtree Effekts in Saccharomyceten Crabtree (+): ~80 mio a ▪ Erhöhter Verbrauch von Glukose in der Glykolyse auf kosten des RF Zucker bei Kasachstania und Saccharomyces. ▪ CRABTREE EFFEKT Gf ▪ Der Glykolytische Flux ist in Gegenwart von Glukose grundsätzlich erhöht unabhängig von der Verfügbarkeit von Sauerstoff. Pyruvat ▪ RF wird herunterreguliert. O2 Rf Ff CO2 ▪ GF geht hauptsächlich in FF über EtOH GF = FF CO2 Ethanol ▪ Das haben nur die wenigsten erreicht. CO2 ▪ Saccharomyces Species gehören dazu. ▪ Da S. cerevisiae höhere Fermentations-Temperaturen toleriert, ist sie die Hefe in humanen Fermentationsnischen. Biomasse ▪ Dies hat Vorteile in Nischen, die recht schnell und zumindest 13 vorübergehend anaerob werden. Die Evolution des Crabtree Effekts in Saccharomyceten Herbert Grace Crabtree 1892–1966 ▪ Overflow Metabolism ▪ Glukose-Repression der Respiration “The driving force behind the initial evolutionary steps was most likely competition with other microbes to faster consume and convert sugar into biomass, in niches that were semi- anaerobic.” Hagman and Piskur, 2015 14 Grande versus Petite colonies Grande Petite 15 Grande versus Petite colonies ▪ The yeast petite mutant was first found in the yeast Saccharomyces cerevisiae (Ephrussi, B. Ann Inst Pasteur, 76:351, 1949). ▪ Petite colonies are small due to a block in the aerobic respiratory chain pathway, which generates ATP. The primary effect of the petite mutation is an inability to synthesize cytochromes of types a and b. ▪ Due to this, petite cells are unable to grow on media containing only non-fermentable carbon sources such as ethanol or glycerol. ▪ When grown on glucose colonies are small (= petite), about 10x smaller than wildtype. ▪ Induction of petites: by ethidium bromide (HESLOT, LOUIS and GOFFEAU, J. Bacteriol. 104: 482, 1970) or CoSO4 (HORN and WILKIE, Heredity 21:625, 1966) or 2% glycerol (Wallis and Whittaker, 1974). ethidium bromide 16 Grande versus Petite colonies 17 Grande versus Petite colonies ▪ Das mitochondriale Genom von S. cerevisiae ist etwa 80 kbp groß. ▪ Obwohl ein kleiner Teil des mitochondrialen Genoms in zirkulärer Form vorliegt, besteht der Großteil der mtDNA aus polydispersen linearen Tandem-Arrays mit einer Größe von 75 bis 150 kbp. ▪ Hefe-mtDNA kodiert Gene für 21S- und 14S-rRNAs, 25 tRNAs und eine Reihe von Polypeptiden, darunter 3 von 7 Cytochromoxidase-Untereinheiten, drei von 10 Polypeptiden der ATPase und 1 von 7 Polypeptiden des Coenzym-Q-Komplexes. ▪ Alle anderen mitochondrialen Proteine sind nuklear kodiert (~1000 Gene) und müssen in die Mitochondrien importiert werden. ▪ Im Gegensatz zu S. cerevisiae bilden die meisten Hefearten keine Petites (petite-negativ). ▪ Wildtyp-Kolonien warden auch „Grande“ genannt. 18 K.R. Schneider-Berlin et al. / Mutation Research 572(2005) 84–97 Wie kommen Protein in die Mitochondrien 19  Short Topic Wie ist die Proteinverteilung in der Zelle geregelt? 20  Wie kommen Protein in die Mitochondrien ▪ Etwa 10 bis 15 % der Kerngene eukaryotischer Organismen kodieren mitochondriale Proteine. ▪ Diese Proteine ​w erden im Zytosolsynthetisiertund von R ezeptoren aufderO berfläche der Mitochondrien erkannt. ▪ Translokasen in der äußeren und inneren Membran der Mitochondrien vermitteln den Import und die intramitochondriale Sortierung dieser Proteine; ATP und das Membranpotential werden als Energiequellen genutzt. ▪ Chaperone und Hilfsfaktoren unterstützen die Faltung und den Zusammenbau mitochondrialer Proteine ​in ihre nativen,dreidim ensionalen Strukturen. 21 10.1146/annurev.biochem.76.052705.163409 Matrix-targeting signal. ▪ Die N-terminalen Zielsequenzen werden auch Matrix-targeting signals (MTS) genannt, da sie auch den N- Terminus über die innere Membran in die Matrix bringen. ▪ In Ermangelung weiterer Sortierinformationen leiten sie Proteine i ​ n die M atrix. ▪ MTS bestehen aus etwa 10–80 Aminosäureresten, die das Potenzial haben, amphipathische Helices mit einer hydrophoben und einer positiv geladenen Seite zu bilden. TOM: translocase of the outer membrane complex TIM: translocase of the inner mitochondrial membrane 22 Wie kommen Protein in... 23 Wie kommen Protein in... Peroxisome targeting signal 1 (PTS1): C-terminal tripeptide with a consensus sequence (S/A/C)-(K/R/H)-(L/A). The most common PTS1 is serine-lysine-leucine (SKL*). KDEL* is a target peptide sequence in mammals and plants located on the C-terminal end of the amino acid structure of a protein. The KDEL sequence prevents a protein from being secreted from the endoplasmic reticulum (ER) and facilitates its return if it is accidentally exported. 24  Wie kommen Protein in...den Kern >>> Nuclear (Kern)-Lokalisierungs Signal (NLS) ▪ Conservation of nuclear localization signal (NLS) sequences among SF1 proteins identified from Arabidopsis and other species. ▪ (a) The alignment of NLS sequences among SF1 proteins of various species. The amino acid residues conserved for putative NLS are highlighted 25 Der Warburg/Crabtree Effekt: Metabolische Anpassungen zweier Systeme 26 Die Evolution des Crabtree Effekts in Saccharomyceten Crabtree (+): ~80 mio a ▪ Erhöhter Verbrauch von Glukose in der Glykolyse auf kosten des RF Zucker bei Kasachstania und Saccharomyces. ▪ CRABTREE EFFEKT Gf ▪ Der Glykolytische Flux ist in Gegenwart von Glukose grundsätzlich erhöht unabhängig von der Verfügbarkeit von Sauerstoff. Pyruvat ▪ RF wird herunterreguliert. O2 Rf Ff CO2 ▪ GF geht hauptsächlich in FF über EtOH GF = FF CO2 Ethanol ▪ Das haben nur die wenigsten erreicht. CO2 ▪ Saccharomyces Species gehören dazu. ▪ Da S. cerevisiae höhere Fermentations-Temperaturen toleriert, ist sie die Hefe in humanen Fermentationsnischen. Biomasse ▪ Dies hat Vorteile in Nischen, die recht schnell und zumindest 27 vorübergehend anaerob werden. Der Warburg/Crabtree Effekt: Metabolische Anpassungen zweier Systeme 28 Diaz-Ruis et al., 2011; https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2010.08.010 Der Warburg/Crabtree Effekt: Conclusion Overexpression of ENO1 is associated with glioma progression. Knockdown of ENO1 expression led to suppressed cell growth, migration and invasion progression by inactivating the PI3K/Akt pathway in glioma cells. 29 Copy number variations – von Krebszellen lernen… 30 Copy number variations – von Krebszellen lernen… Contig #56: dort liegt eine Enolase 31 - A triploid yeast: 3n Topic of the day Evolution von Saccharomyces: ▪ Genome evolution 32 Syntenie - Synteny ▪ Syntenie: beschreibt eine konservierte Genabfolge bei verschiedenen Arten 33  Syntenie - Synteny Humans and chimps share a surprising 98.8 percent of their DNA. Pan troglodytes Das Artepitethon "troglodytes" des Schimpansen bedeutet "Höhlenbewohner". Das scheint nicht logisch, zumal sich der Schimpanse am Boden und auf Bäumen, nicht aber in Höhlen aufhält. Der Grund dafür liegt darin, dass Carl von LINNÉ In der Gattung Homo zwei 34 Arten aufführte, den Homo sapiens und den Homo troglodytes. Allerdings wird aus seiner Beschreibung nicht klar, welche Art er mit dem "Höhlenbewohner effektiv meinte. Saccharomyces cerevisiae: WGD: Whole Genome Duplication Nature. 2004 Apr 8;428(6983):617-24. 35 Saccharomyces cerevisiae: WGD: Whole Genome Duplication 36 Saccharomyces cerevisiae: WGD: Whole Genome Duplication Warum nicht einfach ganze Chromosomen verlieren? Chromosomenverlust= Aneuploidie = Schwierigkeiten in der Meiose Dazu: einige Gene waren hilfreich in zwei Kopien. 37 Saccharomyces cerevisiae: WGD: Whole Genome Duplication 38 Naumovozyma castellii Synteny maps ▪ Map of Kluyveromyces waltii chromosome 4 with sister regions on the S. cerevisiae chromosomes This shows that genome organization in eukaryotes is very flexible >>> Genome Plasticity 39 Synteny maps 40 Comparative genomics or Genome tetris? 41  42 Eremothecium coryli chromosomes Comparative genomics Ashbya gossypii chromosomes Comparative genomics Eremothecium coryli chromosomes Ashbya gossypii chromosomes Wendland and Walther, 2014. 43  Das Problem in der Evolution ▪ Evolution braucht Bausteine 44 https://www.pinterest.co.uk/wjmjredu/herzinguniv-enterprise-learning-team/ https://fancy.com/things/248246275/The-Evolution-Of-Lego  Das Problem in der Evolution Ohno's hypothesis: 2R hypothesis It suggests that the genomes of the early vertebrate lineage underwent two complete genome duplications, and thus modern vertebrate genomes reflect paleopolyploidy. 45 https://www.nap.edu/read/10470/chapter/14 Chromosome number evolution ▪ 2R: zwei Genomduplikationen anhand des HOX Genclusters In der Evolutionsgeschichte der Vertebraten gabe es drei Genomduplikationen: zwei nacheinander in dem Urahn der Vertebraten und eine Dritte spezifisch für die Knochenfische 46 https://www.nature.com/articles/6800872  Agricultural evolution 47 http://plantbreeding.coe.uga.edu/index.php?title=6._Polyploidy  Agricultural evolution 48 http://plantbreeding.coe.uga.edu/index.php?title=6._Polyploidy Klausurfragen: ▪ Erklären Sie den Crabtree-Effekt von Saccharomyces cerevisiae. Verwenden Sie in Ihren Erklärungen die glykolytischen, respiratorischen und fermentativen Fluxe (Flussströme) verschiedender Hefen. ▪ Vergleichen Sie den Crabtree-Effekt mit dem Warburg-Effekt. ▪ Welche Vorteile bringen Genomduplikationen, nennen Sie Beispiele. 49