“Análisis de la expresión génica en respuesta al estrés por frío en ocho cepas de levaduras antárticas”

Abstract

Los ambientes fríos corresponden a los ecosistemas predominantes de la tierra, y la Antártica es quizás, el ejemplo más representativo de un hábitat frío terrestre. Aunque estos ambientes presentan extraordinarias barreras para el desarrollo de la vida, se ha demostrado que albergan organismos metabólicamente adaptados al frío y capaces de crecer in situ. Estos se conocen como organismos adaptados al frío, y a pesar de las condiciones ambientales, son capaces de superar con éxito los efectos negativos de las bajas temperaturas mediante el desarrollo de una gama de adaptaciones estructurales y funcionales. Entre las principales barreras que estos organismos deben superar, se encuentra el efecto de las bajas temperaturas sobre el estado físico del agua y la disminución de las velocidades de reacción. Además, debido a que estos ambientes se asocian también con otros factores, como una baja disponibilidad de agua y nutrientes, una alta presión hidrostática, estrés osmótico y oxidativo, y radiación solar, la adaptación al frío a menudo se combina con la adaptación a otras condiciones limitantes. Las levaduras constituyen uno de los grupos de microorganismos más relevantes en biotecnología. Están distribuidas en microbiomas de todo el mundo, encontrándose adaptadas a una amplia gama de climas, y con una alta capacidad de sobrevivir en condiciones extremas, por lo que están expuestas a diversos tipos de estrés ambientales. Estos microorganismos han desarrollado diversas estrategias o respuestas adaptativas para responder a las circunstancias que enfrentan. Típicamente, los cambios bruscos en las condiciones se consideran como estrés, y pueden afectar la supervivencia de las células. En general, las células responden al estrés mediante cambios en la expresión de genes que xi codifican productos que protegen a la célula del daño producido por el estresor al que se encuentran sometidas. El objetivo de este trabajo fue cuantificar y comparar la expresión génica frente al estrés por frío en ocho cepas de levaduras antárticas, e identificar los genes putativos descritos como parte de los mecanismos de respuesta al estrés por frío, para comprobar si los cambios en la expresión de genes asociados a la respuesta al estrés por frío en este grupo de levaduras son especie-específicos o si guardan relación con la temperatura de crecimiento. Los cultivos de las levaduras se incubaron a sus respectivas temperaturas de crecimiento para luego ser expuestas a 4ºC durante 6 horas. Tras la exposición a estas condiciones, definidas como causantes de estrés por frío, se realizó una secuenciación a transcriptoma completo (RNA-seq) y un procesamiento bioinformático de sus resultados. Se ensamblaron los ORFeomas para la anotación de genes putativos, la predicción de las funciones celulares y la determinación de los cambios en la expresión génica. Las cepas de levadura exhibieron una relación directa entre el número de DEGs y la variación de temperatura (∆T) enfrentada. Entre los DEG asociados al estrés, una cantidad significativa se describió como parte de las respuestas al estrés por frío, osmótico y oxidativo. Curiosamente, se detectó una baja cantidad de DEGs que codifican proteínas canónicas de respuesta al estrés por frío en mesófilos, como Heat Shock Proteins y desaturasas de ácidos grasos. Las levaduras con temperaturas de crecimiento más cercanas a 4ºC tendrían adaptaciones basales y mecanismos que les permiten responder eficazmente a condiciones de frío, mientras que aquellas con temperaturas de crecimiento más elevadas disminuirían su tasa metabólica para entrar en un estado de dormancia.

Cold environments, those with constant temperatures below 5ºC, correspond to the predominant ecosystems on earth, and Antarctica is perhaps the most representative example of a cold terrestrial habitat. Although these environments present extraordinary hurdles to the development of life, they have been shown to harbor organisms metabolically adapted to cold and capable of growing in situ. These are known as cold adapted organisms, and despite the influence of low temperatures, they can successfully overcome its negative effects employing a range of structural and functional adaptations. Among the main barriers that these organisms must overcome there is the effect of low temperatures on the physical state of the water and the decrease in reaction rates. In addition, because these environments are also associated with other factors, such as low water and nutrient availability, high hydrostatic pressure, osmotic and oxidative stress, and solar radiation, cold adaptation is often combined with the adaptation to other limiting conditions. Cold-adapted microorganisms have been found to predominate over other organisms in terms of biodiversity and biomass, showing their ecological importance and biotechnological potential. Yeasts are one of the most important groups of microorganisms in biotechnology. They are distributed in microbiomes around the world, being adapted to a wide range of climates, and with a high capacity to survive in extreme conditions, which is why they are exposed to various types of environmental stress. These microorganisms have developed various strategies or adaptive responses to react to the circumstances they face. Sudden changes in conditions are typically considered stress and can affect cell survival. In general, cells respond to stress through changes in the xiv expression of genes that encode products that protect the cell from damage caused by the stress to which they are subjected. The objective of this work was to quantify and compare gene expression under cold stress in eight strains of Antarctic yeast and identify the putative genes described as part of the response mechanisms to cold stress, to verify if changes in gene expression associated with the response to cold stress in this group of yeasts are species-specific or if they are related to their growth temperature. The yeast cultures were incubated at their respective growth temperatures and then subjected to 4ºC for 6 hours. After exposure to these conditions, defined as causing cold stress, complete transcriptome sequencing (RNA-seq) and bioinformatics processing of the results were performed. ORFeomes were assembled for putative gene annotation, prediction of cellular function, and determination of changes in gene expression. The yeast strains exhibited a direct relationship between the number of DEGs and the temperature variation (∆T) faced. Among stress related DEGs, a significant amount was described as part of cold, osmotic, and oxidative stress responses. Interestingly, a low amount of DEGs encoding canonical cold stress response proteins in mesophiles, such as Heat Shock Proteins and fatty acid desaturases, was detected. Yeasts with higher temperatures would be preparing to downregulate their metabolism to enter dormancy, while those with lower growth temperatures would have basal adaptations and mechanisms that allow them to respond efficiently to cold conditions.