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Alicia González Departamento de Genética Molecular Instituto de Fisiología Celular Universidad Nacional Autónoma de México SOCIEDAD MEXICANA DE GENETICA "Duplicación génica y diversificación funcional en la levadura Saccharomyces cerevisiae"

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Page 1: Presentación smg Alicia González Manjarrez

Alicia GonzálezDepartamento de Genética Molecular

Instituto de Fisiología CelularUniversidad Nacional Autónoma de México

SOCIEDAD MEXICANA DE GENETICA

"Duplicación génica y diversificación funcional en la levadura Saccharomyces cerevisiae"

Page 2: Presentación smg Alicia González Manjarrez

SIN DUDA Saccharomyces cerevisiae ESEL MEJOR AMIGO DEL HOMBRE

Page 3: Presentación smg Alicia González Manjarrez

No hay verdades absolutas;todas las verdades son verdades a medias.

El error consiste en tratarlascomo verdades absolutas.

Alfred North WhiteheadDiálogos (1953)

Page 4: Presentación smg Alicia González Manjarrez

-Degrada glucosa o fructosa a etanol aun en presencia de oxígeno (crabtree effect).

- Tiene alta capacidad fermentativa que le permite crecer en ausencia de oxígeno

- Genera mutantes mitocondriales deficientes en

respiración¨petit¨

Saccharomyces cerevisiae tiene un metabolismo peculiar

Page 5: Presentación smg Alicia González Manjarrez

¿Cómo se originan los genes?

1. Duplicación de genes preexistentes

2. Transferencia horizontal

3. Material no codificante

Page 6: Presentación smg Alicia González Manjarrez

72 %

16% descendientes de una duplicación genómica 16 %

4n

Hace ≈ 108 años

2n

Duplicación Genómica

28 % en mas de una copia

72 %

Page 7: Presentación smg Alicia González Manjarrez

A B C D E F G H

LEVADURA ANCESTRAL- 150 m.a.

Wolfe & Shields (1997) Nature

2n

A B C D E F G H

A B C D E F G HA B C D E F G H

Kluyveromyces lactis(aerobio estricto)

ANCESTRO DE Saccharomyces

-100 m.a.

2n

4n

Saccharomyces cerevisiae(anaerobio facultativo)

ABC DEFGHABC DEFGH

2n

duplicación genómica

Page 8: Presentación smg Alicia González Manjarrez

Merico, A. et al. (2007) FEBS Journal.

La duplicación genica favoreció el metabolismo facultativo

Page 9: Presentación smg Alicia González Manjarrez

DUPLICACIÓN GÉNICA La duplicación de genes funcionales representa una fuente de material

genético útil en la generación de funciones nuevas o especializadas.

PÉRDIDA DE LA FUNCIÓN

90%

DUPLICACIÓN

NEO-FUNCIONALIZACIÓN SUB-FUNCIONALIZACIÓN

1% ADHAADH1 ADH2

9%

ORC1

SIR3

CUAL ES EL DESTINO DE LOS GENES DUPLICADOS ?

GDH1

GDH3

Page 10: Presentación smg Alicia González Manjarrez

La retencion de genes fue selectiva? Representa alguna ventaja?

Page 11: Presentación smg Alicia González Manjarrez

Diferencia fisiológica entre S. cerevisiae y otras levaduras, su habilidad para fermentar azúcares bajo condiciones aerobias y anaerobias, produciendo etanol.

¿Qué ventajas representó la duplicación?

Aparición de un nuevo nicho ecológico

Retención de vías glucolíticas

Duplicación coincide con el tiempo en que las angiospermas se hicieron más abundantes

Determinante en su adaptación evolutiva al crecimiento anaerobio:

- Varios duplicados, regulados de manera distinta en condiciones aerobias y anaerobias- Otros codifican para transportadores de azúcares.

Page 12: Presentación smg Alicia González Manjarrez

Genes Enzyme % aa ident. Function Compounds

GDH1, GDH3 1.4.1.4 NADP-glutamate dehydrogenase

87 Glutamate biosynthesis (1st step)

-Ketoglutarate, NH4, Glutamate

ASN1, ASN2 6.3.5.4 asparagine synthetase 88 Asparagine biosynthesis (1st step)

Aspartate, Glutamine Asparagine, Glutamate

LEU4, LEU9 4.1.3.12 isopropylmalate synthase 83 Leucine biosynthesis (1st step)

Acetyl-CoA, -Ketoisovalerate Isopropylmalate, CoA

LYS20, LYS21 4.1.3.21 homocitrate synthase 92 Lysine biosynthesis (1st step)

-Ketoglutarate, Acetyl-CoA Homocitrate, CoA

YDR111, YLR089 2.6.1.2 alanine transaminase (hypothetical)

67 Alanine biosynthesis and/or degradation

Alanine-Ketoglutarate Pyruvate, Glutamate

BAT1, BAT2 2.6.1.42 Leu/Ile/Val transaminase 77 Leu, Ile, Val biosynthesis and/or degradation

Leu/Ile/Val-Ketoglutarate Methyloxopentanoate, Glutamate

SAM1, SAM2 2.5.1.6 S-adenosylmethionine synthase

91 Methionine biosynthesis regulation

Methionine, ATP S-Adenosylmethionine, PPi

AAT1, AAT2 2.6.1.1 aspartate transaminase 46 Aspartate biosynthesis and/or degradation

Aspartate-Ketoglutarate Oxaloacetate, Glutamate

SHM1, SHM2 2.1.2.1 Gly/Ser hydroxymethyl transferases

60 Gly/Ser biosynthesis and/or degradation

Methylenetetrahydrofolate, Glycine Tetrahydrofolate, Serine

Redundancia génica en el metabolismo de aminoácidos

Page 13: Presentación smg Alicia González Manjarrez

Función respiratoria

a- KG

citrato

a- KG

succinato

citrato

a-cetoglutarato

succinato

citrato

piruvato

GLUCOSA

etanol ETANOL

acetil-CoA

acetil-CoA

a- KG

succinato

citratocitratooxalacetato

oxalacetato

CO2

Utilización de carbono y metabolismo facultativo en S. cerevisiae

glucosa

a-cetoglutarato

piruvato

Page 14: Presentación smg Alicia González Manjarrez

NADP-GDH

a-ketoglutarate

L-glutamate

L-glutaminecitrateoxalacetatemalate

fumarate

succinateNH4

+

NH4+

NAD-GDH

GS

NH4+ Gdh1 / Gdh3

Gdh2

GOGAT

Glt1Gln1

Metabolismo central del nitrógeno

Page 15: Presentación smg Alicia González Manjarrez

0 48 96 1440.0

0.1

0.2

CULTURE TIME (h)

NAD

P-G

DH

ACT

IVIT

Y (U

/mg)

GDH1

GDH3

[glucose][ethanol]

GDH1,gdh3-

GDH3,gdh1-a6Gdh1p

a6Gdh3p

pH 5.8

0 1 2 3 4 50

10

20

30

40

50

NAD

P-G

DH

(U m

g)

-1

)

[a-cetoglutarato] (mM)

GDH WTa6Gdh1p

a6Gdh3p

[a-ketoglutarate] (mM)

NA

DP -

GD

H A

CTIV

ITY

(U/m

g)

GDH3

ACT1

G E

Page 16: Presentación smg Alicia González Manjarrez

Gdh1Vn Gdh3Vc

En cultivos de etanol, los monomeros de Gdh1 y Gdh3 forman hetero-oligomeros………..Esta observacion tiene un

significado fisiologico????????

Gdh1Vn / Gdh3Vc Gdh3Vn / Gdh1Vc

Geovani López Tesis Doctorado en curso

Page 17: Presentación smg Alicia González Manjarrez

Se esta desarrollando un metodo para purificar la coleccion de isozimas de Gdh1-Gdh3

17

Page 18: Presentación smg Alicia González Manjarrez

Alt1

Alt2?

LA PAREJA ALT1/ALT2 ¿CODIFICA PARA ALANINO AMINOTRANSFERASAS?GEORGINA PEÑALOSA

Una mutante alt1Dno es auxótrofa de alanina, pero no crece en alanina como única fuente de Npapel catabólico.Una mutante alt2D no afecta el metabolismo de alanina, no tiene fenotipo

Page 19: Presentación smg Alicia González Manjarrez

Subcellular localization of the paralogous proteins Alt1 and Alt2

DIC ptetO7 Alt2-yECitrine Merge

Mitotracker Alt1-yECitrine Merge

Figure X. Subcellular localization of the paralogous proteins Alt1 yECitrine and ptetO7 Alt2-yECitrine through confocal microscopy. Strains were grown on MM during exponential phase (~0.6 OD) glucose (2%, w/v) was used as a carbon source, and 40 mM ammonium sulfate was used as a nitrogen source. A) Mitochondrial localization of Alt1-yEcitrine, show co-localization with mitotracker. B) Cytoplasmic localization of Alt2-yECitrine with the inducible promoter ptetO7.

A)

B)

Page 20: Presentación smg Alicia González Manjarrez

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0

5

10

15

20

25

WT alt1 alt2 alt1 alt2

WT alt1Δ alt2Δ alt1Δ alt2Δ

μ (h

-1)

0.3 0.6 0.9 2.0

alan

ine

(nm

ol m

g-1)

CURVAS DE CRECIMIENTO

OD600

A

DC

B

0 2 4 6 8 100.01

0.1

1O

D 60

0nm

Time (h)

WTalt1Dalt2Dalt1D alt2D

0 5 10 15 20 250.01

0.1

1

OD

600n

m

Time (h)

WTalt1Dalt2Dalt1D alt2D

CURVAS DE CRECIMIENTO

VELOCIDAD DE CRECIMIENTO

POZAS DE ALANINAPLoS ONE Peñalosa et al 2012

Page 21: Presentación smg Alicia González Manjarrez

GLUCOSA + AMONIO

ALT2

ALT1

SCR1

0.3 0.6 0.9 1.7 2.4

ALT1

ALT2

SCR1

0.3 0.6 0.9 1.3 2.1

OD 600nm OD 600nm

TAP Ab

Lys20/Lys21 Ab

ALT1-TAP OD 600nmC

0.3 0.6 0.9 1.5 2.2

AL

T1-

TAP

ALT2-TAP OD 600nmF

TAP Ab

Lys20/Lys21 Ab

0.3 0.6 0.9 1.5 2.2

BA

ALT1-TAP OD 600nm

0.3 0.6 0.9 1.5 2.2

E

TAP Ab

Lys20/Lys21 Ab

0.3 0.6 0.9 1.5 2.2

ALT2-TAP OD 600nm

D

TAP Ab

Lys20/Lys21 Ab

GLUCOSA + ALANINA

GLUCOSA + AMONIO

GLUCOSA + ALANINA

PLoS ONE Peñalosa et al 2012

Page 22: Presentación smg Alicia González Manjarrez

El represor Nrg1 Determina la expresion de ALT1 Y ALT2!!!!!!!!

EL REPRESOR NRG1 SE UNE A LOS PROMOTORES DE ALT1 Y ALT2

PLoS ONE Peñalosa et al 2012

Page 23: Presentación smg Alicia González Manjarrez

La expresión de ALT1 se induce poralanina – catabólicaLa expresión de ALT2 se reprimeporalanina - biosintética

Alt1 tiene actividad de alanino aminotransferasaAlt2 NO tiene actividad de alanino aminotransferasa

PLoS ONE Peñalosa et al 2012

Page 24: Presentación smg Alicia González Manjarrez

LA SOBREEXPRESION DE ALT2 AUMENTA TRANSCRITO, Y LA ACTIVIDAD ENZIMATICA?

PLoS ONE Peñalosa et al 2012

Page 25: Presentación smg Alicia González Manjarrez

PLoS ONE Peñalosa et al 2012

Page 26: Presentación smg Alicia González Manjarrez

¿PORQUE SE CONSERVO ALT2?POSIBLEMENTE TIENE OTRA ACTIVIDAD

¿COMO SE ORIGINO?

FUNC 1

MUTACIONES

FUNC 1 FUNC 2

FUNC 1

FUNC 2

SubfuncionalizaciónNeofuncionalización

Post-duplicacion

FUNC 1

FUNC 1

F 2F 1F 2F 1

Ancestral GeneAncestral Gene F 1 F 2

POSIBLES ORIGENES DE ALT2

Page 27: Presentación smg Alicia González Manjarrez

DANKE!

Page 28: Presentación smg Alicia González Manjarrez

LA DIVERGENCIA FUNCIONAL DE GENES DUPLICADOS

1.- PROPIEDADES FISICOQUIMICAS DE LOS PRODUCTOS2.- LOCALIZACION SUBCELULAR DE LOS PRODUCTOS3.- REGULACION TRANSCRIPCIONAL DE LOS GENES

Page 29: Presentación smg Alicia González Manjarrez

"BUSCO LA VERDAD; NO LA SUPOSICION NI LA CREENCIA"

EL SÉPTIMO SELLOI. Bergman, 1957

Page 30: Presentación smg Alicia González Manjarrez

Es Sacharomyces cerevisiae es el mejor amigo del hombre