Metabolism and Regulation of Glycerolipids in the Yeast Saccharomyces cerevisiae

Due to its genetic tractability and increasing wealth of accessible data, the yeast Saccharomyces cerevisiae is a model system of choice for the study of the genetics, biochemistry, and cell biology of eukaryotic lipid metabolism. Glycerolipids (e.g., phospholipids and triacylglycerol) and their precursors are synthesized and metabolized by enzymes associated with the cytosol and membranous organelles, including endoplasmic reticulum, mitochondria, and lipid droplets. Genetic and biochemical analyses have revealed that glycerolipids play important roles in cell signaling, membrane trafficking, and anchoring of membrane proteins in addition to membrane structure. The expression of glycerolipid enzymes is controlled by a variety of conditions including growth stage and nutrient availability. Much of this regulation occurs at the transcriptional level and involves the Ino2–Ino4 activation complex and the Opi1 repressor, which interacts with Ino2 to attenuate transcriptional activation of UASINO-containing glycerolipid biosynthetic genes. Cellular levels of phosphatidic acid, precursor to all membrane phospholipids and the storage lipid triacylglycerol, regulates transcription of UASINO-containing genes by tethering Opi1 to the nuclear/endoplasmic reticulum membrane and controlling its translocation into the nucleus, a mechanism largely controlled by inositol availability. The transcriptional activator Zap1 controls the expression of some phospholipid synthesis genes in response to zinc availability. Regulatory mechanisms also include control of catalytic activity of glycerolipid enzymes by water-soluble precursors, products and lipids, and covalent modification of phosphorylation, while in vivo function of some enzymes is governed by their subcellular location. Genome-wide genetic analysis indicates coordinate regulation between glycerolipid metabolism and a broad spectrum of metabolic pathways

Investigation of fatty acid transport across cellular and peroxisomal membranes

Der Mechanismus, der den Transport von freien Fettsäuren durch die Plasmamembran vermittelt, ist trotz intensiver Forschung und einer Vielzahl von Publikationen weiterhin unaufgeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit sind wir der Frage nachgegangen, ob Acyl-CoA-Synthetasen am Fettsäuretransport in Saccharomyces cerevisiae beteiligt sind. In früheren Studien konnten wir zeigen, dass die kombinierte Deletion der Acyl-CoA-Synthetasen FAA1 und FAA4 in YB332 zu einem Fettsäuresekretions-Phänotyp führt, der durch einen massiven Export von freien Fettsäuren während der exponentiellen Phase und einen Re-Import von freien Fettsäuren während der stationären Phase charakterisiert ist. Für die Durchführung weiterer Transportstudien wurden zusätzlich in der Doppelmutante faa1Δfaa4Δ alle anderen bekannten Acyl-CoA-Synthetasen inaktiviert. Unsere Ergebnisse zeigten, dass der Transport durch die Plasmamembran ohne jegliche Acyl-CoA-Synthetase-Aktivität stattfinden kann. Die Richtung des Transportes von freien Fettsäuren ist umkehrbar und wird durch den metabolischen Zustand der Zellen aktiv reguliert. Dabei existiert anscheinend ein Kontrollmechanismus, der bei einer drastischen Änderung der Zusammensetzung des Fettsäure-Pools in den Zellen einen aktiven Export der Fettsäuren initiiert. Hingegen wird der Import von exogenen Fettsäuren durch das Fehlen anderer Kohlenstoffquellen, also einem Hungersignal, im Stadium der stationären Phase ausgelöst. Im Gegensatz zum Fettsäuretransport durch die Plasmamembran ist der Transport von Fettsäuren in das peroxisomale Lumen im Detail besser verstanden. In Hefen und Pflanzen wurden peroxisomale ABC-Transporter identifiziert, die eine essentielle Funktion bei der Aufnahme von Fettsäuren im Zuge der β-Oxidation haben. Trotz vergleichbarer Komponenten scheint sich der Mechanismus des Fettsäure-Imports in Peroxisomen der Pflanzen grundlegend von dem in S. cerevisiae zu unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der ABC-Transporter Pat1p-Pat2p aus Hefe nicht durch den pflanzlichen ABC-Transporter PXA1 funktional zu ersetzen ist. Erst die kombinierte Expression der pflanzlichen Proteine PXA1 und LACS7 führte zu einer erfolgreichen Komplementation der Doppelmutante pat1Δfaa2Δ. Der Mechanismus des Fettsäure-Imports in Peroxisomen der Pflanzen scheint sich demnach grundlegend von dem in S. cerevisiae zu unterscheiden. Zusätzliche Erkenntnisse über den Ablauf von Transport der Fettsäuren durch die peroxisomale Membran und anschließender Metabolisierung durch die β-Oxidation haben wir durch die Manipulation des peroxisomalen Acyl-CoA-Pools in S. cerevisiae gewonnen. Die kombinierte Deletion der peroxisomalen Acyl-CoA-Thioesterase TES1 und der peroxisomalen Acyl-CoA-Synthetase FAA2 in YB332 führte zu einem deutlichen Phänotyp. Bei dieser Mutante wurde weder auf Minimalmedium mit Ölsäure noch auf Minimalmedium ohne Ölsäure Wachstum nachgewiesen. Außerdem wurde ein drastisches Absinken der Konzentration des zellulären Acyl-CoA-Pools beobachtet. Unsere Daten belegen somit ein Zusammenwirken von Tes1p und Faa2p, die gemeinsam das Verhältnis von freiem CoA zu Acyl-CoA im Peroxisom zu regulieren scheinen. Interessanterweise konnte durch die zusätzliche Deletion des peroxisomalen ABC-Transporters PAT1 der Phänotyp teilweise aufgehoben werden. Demnach wird eine Destabilisierung des CoA/Acyl-CoA-Verhältnisses durch die Verhinderung des Imports von Acyl-CoA in die Peroxisomen unterbunden. Unsere Daten zeigen somit erstmals, dass ein fehlgeleiteter peroxisomaler Fettsäurestoffwechsel dramatische Auswirkungen auf den Metabolismus der gesamten Zelle erlangen kann. Ein weiterer Aspekt des peroxisomalen Fettsäurestoffwechsels wurde in Pflanzen untersucht. Über die Funktion des ABC-Transporters PXA1 in Arabidopsis thaliana während der vegetativen Wachstumsphase ist wenig bekannt. In dieser Arbeit wurde ein durch eine verlängerte Dunkelphase induzierter Phänotyp der pxa1-Mutante untersucht. Eine Verlängerung der Dunkelphase führte bei diesen Pflanzen zum vollständigen Absterben, während die Wildtyp-Pflanzen zu diesem Zeitpunkt keine Symptome zeigten. Längere Dunkelphasen führten zu massiven Beschädigungen der Membransysteme. Eine massive Welke setzte trotz ausreichender Wasserversorgung ein. Unsere Studien zeigten, dass TAG unter den Bedingungen einer langanhaltenden Dunkelphase offensichtlich als Depot für Fettsäuren dient, die letztendlich für den Abbau durch die β-Oxidation vorgesehen sind. Die Kombination von β-Oxidation und TAG-Synthese führt dementsprechend zu einem konstant niedrigen Fettsäurespiegel im Wildtyp. In der pxa1-Mutante entfällt der Abbau der Fettsäuren via β-Oxidation und es erfolgt ein deutlicher Anstieg der Konzentration der freien Fettsäuren. Der Detergens-Charakter der freien Fettsäuren führt zu gravierende strukturelle Schäden der Chloroplasten und anschließendem Zelltod. Da dieser Phänotyp durch Zugabe exogener Saccharose unterdrückt werden kann, postulieren wir, dass die Freisetzung von Fettsäuren als Kompensationsmechanismus bei Engpässen der Energieversorgung während langanhaltender Dunkelheit dient. Demnach spielt die β-Oxidation in adulten Pflanzen eine essentielle Rolle für die Aufrechthaltung der Energieversorgung bei einer verlängerten Dunkelphase

Ypk1, the yeast orthologue of the human serum- and glucocorticoid-induced kinase, is required for efficient uptake of fatty acids

Fatty acids constitute an important energy source for various tissues. The mechanisms that mediate and control uptake of free fatty acids from the circulation, however, are poorly understood. Here we show that efficient fatty-acid uptake by yeast cells requires the protein kinase Ypk1, the orthologue of the human serum- and glucocorticoid-induced kinase Sgk1. ypk1δ mutant cells fail to grow under conditions that render cells auxotrophic for fatty acids, show a reduced uptake of radiolabelled or fluorescently labelled fatty acids, lack the facilitated component of the uptake activity, and have elevated levels of fatty acids in a bovine serum albumin (BSA) back-extractable compartment. Efficient fatty-acid uptake and/or incorporation requires the protein-kinase activity of Ypk1, because a kinase-dead point-mutant allele of YPK1 is defective in this process. This function of Ypk1 in fatty-acid uptake and/or incorporation is functionally conserved, because expression of the human Sgk1 kinase rescues ypk1δ mutant yeast. These observations suggest that Ypk1 and possibly the human Sgk1 kinase affect fatty-acid uptake and thus energy homeostasis through regulating endocytosis. Consistent with such a proposition, mutations that block early steps of endocytosis display reduced levels of fatty-acid uptake

Analysis of specific mutants at the end of exponential phase.

<p>Given are the content of total FFA in YB526 cells and YB526 cells additionally deficient for phospholipases B or enzymes of TAG synthesis and degradation. Cells were grown to the end of exponential phase (35 h) in YPR media. Mean values of three independent experiments. Error bars correspond to standard deviation. Asterisks indicate significantly different values between the reference strain YB526 and the individual mutant strain (P≤0.05).</p

Yeast strains.

<p>The selection marker used for each deletion is indicated next to the targeted gene. Posterior removal of the marker is indicated by the deleted gene followed by no marker description.</p