Factors affecting production and removal of heterologous proteins in yeast cells S. cerevisiae

W ostatnich latach wymiana genów pomiędzy gatunkami jest częstym obiektem badań, gdyż pozwala poznać oraz zrozumieć wiele kluczowych procesów zachodzących w komórkach. Badania nad wymienialnością genową są bardzo istotne z punktu widzenia nauk biologicznych, jak i medycznych. Poznanie mechanizmów danych procesów komórkowych oraz znalezienie genów ortologicznych u organizmów spokrewnionych, czy też ewolucyjnie bardzo od siebie oddalonych, daje możliwość poznania podłoża wielu nieuleczalnych dotąd chorób oraz patologii. Dotychczas odkryto setki genów ortologicznych, które potrafią funkcjonalnie zastąpić gen gospodarza. Geny te zazwyczaj pojawiają się w szlakach procesów najbardziej podstawowych, pierwotnych, które występowały u przodków wszystkich organizmów. W szlakach bardziej wyspecjalizowanych procesów metabolicznych ilość genów ortologicznych jest znacznie mniejsza. Często również gen pochodzący z komórki jednego gatunku organizmu, nie potrafi funkcjonalnie zastąpić swojego ortologa występującego w komórkach innego gatunku. Taki brak kompensacji może wynikać między innymi z różnic w systemach syntezy i usuwania białek, jakie występują pomiędzy gatunkami. Celem poniższej pracy było sprawdzenie, czy brak kompensacji genów ortologicznych pomiędzy dwoma gatunkami drożdży, w eksperymencie przeprowadzonym w Instytucie Nauk o Środowisku Uniwersytetu Jagiellońskiego, był wynikiem niedopasowania w szlakach syntezy białka i/lub proteolizy. Eksperyment przeprowadzony w ramach niniejszej pracy magisterskiej badał białka pochodzące z dwóch gatunków drożdży (Schizosaccharomyces pombe, Saccharomyces cerevisiae). Kompensacja funkcjonalna była sprawdzana w szczepach S. cerevisiae: „dzikim” oraz dwóch szczepach z uszkodzonym szlakiem proteolizy nieprawidłowo sfałdowanych białek. Szczepy te zawierały plazmidy z niekompensującymi genami, pochodzącymi z doświadczenia wykonanego w Instytucie Nauk o Środowisku UJ. Podczas eksperymentu wykonano serie pomiarów badających tempo wzrostu drożdży oraz ilość białek będących produktem ekspresji badanych ortologów. Otrzymane wyniki wskazują, że przyczyną braku kompensacji w eksperymencie przeprowadzonym w Instytucie Nauk o Środowisku UJ, nie były błędy ani zaburzenia w szlaku syntezy białek, będących produktem ekspresji ortologicznych genów. Zarówno białka gospodarza jak i „obce” były efektywnie produkowane w komórkach S. cerevisiae (gospodarz). Dodatkowo nadaktywność systemu usuwania obcych białek z komórek, nie miała istotnego wpływu na brak kompensacji badanych ortologów.

Gene exchange between species has been frequently studied, because results of such experiments allow for better understanding of many crucial cellular processes. Research on exchangeable genes is also important for biological and medical scientists. Analysis of orthological genes from closely related or evolutionary distinct organisms gives valuable insights into mechanisms of many incurable diseases and pathologies. So far, hundreds of orthological genes, that can functionally replace the host gene, have been discovered. These genes usually appear in the pathways of the most basic, primary processes that are present in all organisms. In more specialized metabolic pathways, the number of orthological genes is significantly lower. Often, a gene from one species cannot functionally replace its ortholog in cells of another species. Such a lack of compensation might be caused by differences in processes of protein synthesis and removal between species. In an experiment previously carried out at the Institute of Environmental Sciences of the Jagiellonian University, seven pairs of nonexchangeable S. cerevisiae – S. pombe orthologs were identified. The aim of the present study was to test whether the lack of compensation of orthological genes between these two yeast species resulted from disturbances in the protein synthesis or proteolysis pathways. To this end, orthological proteins from both analyzed species were overproduced in wild-type S. cerevisiae host strain, and in strains with damaged proteolytic pathways. Next, the amount of the overproduced proteins and growth of the host strains were tracked in time. Obtained results show that lack of compensation was not caused by the disturbance in the protein synthesis pathway. Both host and foreign proteins were effectively produced in the cells of S. cerevisiae (host). Additionally, the activity of the proteolitic system toward the foreign proteins did not have significant effect on the lack of compensation of the tested orthologs.