Saccharomyces cerevisiae Mutants Affected in Vacuole Assembly or Vacuolar H+-ATPase are Hypersensitive to Lead (Pb) Toxicity

Lead is an important environmental pollutant. The role of vacuole, in Pb detoxification, was studied using a vacuolar protein sorting mutant strain (vps16D), belonging to class C mutants. Cells disrupted in VPS16 gene, did not display a detectable vacuolar-like structure. Based on the loss of cell proliferation capacity, it was found that cells from vps16D mutant exhibited a hypersensitivity to Pb-induced toxicity, compared to wild type (WT) strain. The function of vacuolar H?-ATPase (VATPase), in Pb detoxification, was evaluated using mutants with structurally normal vacuoles but defective in subunits of catalytic (vma1D or vma2D) or membrane domain (vph1D or vma3D) of V-ATPase. All mutants tested, lacking a functional V-ATPase, displayed an increased susceptibility to Pb, comparatively to cells from WT strain. Modification of vacuolar morphology, in Pb-exposed cells, was visualized using a Vma2p-GFP strain. The treatment of yeast cells with Pb originated the fusion of the medium size vacuolar lobes into one enlarged vacuole. In conclusion, it was found that vacuole plays an important role in the detoxification of Pb in Saccharomyces cerevisiae; in addition, a functional V-ATPase was required for Pb compartmentalization.

Avaliação do papel da glutationa e do vacúolo como mecanismos de defesa contra a toxicidade induzida pelo chumbo na levedura Saccharomyces cerevisiae

A presença de metais pesados no meio ambiente deve-se, principalmente, a actividades antropogénicas. Ao contrário do Cu e do Zn, que em baixas concentrações são essenciais para o normal funcionamento celular, não se conhece para o chumbo nenhuma função biológica. O chumbo apresenta efeitos tóxicos, e considerado possível agente carcinogéneo, sendo classificado como poluente prioritário pela Agencia de Protecção Ambiental dos EUA (US-EPA). O presente trabalho teve como objetivo avaliar o papel da glutationa e do vacúolo, como mecanismos de defesa, contra os efeitos tóxicos induzidos pelo chumbo, usando como modelo a levedura Saccharomyces cerevisiae. A levedura S. cerevisiae quando exposta a varias concentrações de chumbo, durante 3h, perde a viabilidade e acumula espécies reativas de oxigénio (ROS). O estudo comparativo da perda de viabilidade e acumulação de ROS em células de uma estirpe selvagem (WT) e de estirpes mutantes, incapazes de produzir glutationa devido a uma deficiência no gene GSH1 (gsh1) ou GSH2 (gsh2) mostrou que as estirpes gsh1 ou(gsh2 não apresentavam um aumento da sensibilidade ao efeito toxico do chumbo. No entanto, o tratamento de células da estirpe WT com iodoacetamida (um agente alquilante que induz a depleção de glutationa) aumentou a sensibilidade das células a presença de chumbo. Pelo contrário, o enriquecimento em GSH, através da incubação de células WT com glucose e uma mistura de aminoácidos que constituem a GSH (acido L-glutâmico, L-cisteína e glicina), reduziu o stress oxidativo e a perda de viabilidade induzida por chumbo. A importância do vacúolo, como mecanismo de defesa, foi avaliada através da utilização de um mutante sem qualquer estrutura vacuolar (vps16) ou de mutantes deficientes na subunidade catalítica A (vma1) ou B (vma2) ou no proteolítico - subunidade C (vma3) da V-ATPase. As células da estirpe ƒ´vps16 apresentaram uma elevada suscetibilidade a presença de chumbo. As células das estirpes deficientes na subunidade A, B ou c da V-ATPase, apresentaram uma maior perda de viabilidade, quando expostas a chumbo, do que as células da estirpe WT, mas menor do que a da estirpe vps16 Em conclusão, os resultados obtidos, no seu conjunto, sugerem que a glutationa esta envolvida na defesa contra a toxicidade provocada por chumbo; todavia, a glutationa, por si só, parece não ser suficiente para suster o stress oxidativo e a perda de viabilidade induzida por chumbo. O vacúolo parece constituir um importante mecanismo de defesa contra a toxicidade provocada por chumbo. A V-ATPase parece estar envolvida na compartimentação de chumbo no vacúolo.

ABCC Subfamily Vacuolar Transporters are Involved in Pb (Lead) Detoxification in Saccharomyces cerevisiae

The present work has as objective to contribute for the elucidation of the mechanism associated with Pb detoxification, using the yeast Saccharomyces cerevisiae as a model organism. The deletion of GTT1 or GTT2 genes, coding for functional glutathione transferases (GST) enzymes in S. cerevisiae, caused an increased susceptibility to high Pb concentrations (500-1000 μmol L(-1)). These results suggest that the formation of glutathione-Pb conjugate (GS-Pb), dependent of GSTs, is important in Pb detoxification. The involvement of ATP-binding cassette (ABC) vacuolar transporters, belonging to class C subfamily (ABCC) in vacuolar compartmentalization of Pb, was evaluated. For this purpose, mutant strains disrupted in YCF1, VMR1, YBT1 or BPT 1 genes were used. All mutants tested, without vacuolar ABCC transporters, presented an increased sensitivity to 500-1000 μmol L(-1) Pb comparative to wild-type strain. Taken together, the obtained results suggest that Pb detoxification, by vacuolar compartmentalization, can occur as a result of the concerted action of GSTs and vacuolar ABCC transporters. Pb is conjugated with glutathione, catalysed by glutathione transferases and followed to the transport of GS-Pb conjugate to the vacuole by ABCC transporters.

Estudo da Toxicidade do Chumbo na Levedura Saccharomyces cerevisiae

O chumbo é um importante poluente ambiental. A levedura Saccharomyces cerevisiae constitui um modelo útil para o estudo dos efeitos tóxicos do chumbo. O conhecimento dos mecanismos de defesa e resistência à presença de metais pesados poderá ser útil em tecnologias de proteção ambiental, nomeadamente no desenvolvimento de novas metodologias para a biorremediação de metais pesados. O presente trabalho teve como objetivo avaliar o impacto do Pb na capacidade proliferativa, na integridade membranar e na produção intracelular de espécies reativas de oxigénio (ROS), na estirpe laboratorial da levedura Saccharomyces cerevisiae BY4741 (estirpe selvagem, WT). Foi também estudado o papel das mitocôndrias, como fonte de ROS induzida por Pb, e o envolvimento da H+-ATPase vacuolar (V-ATPase) e de transportadores vacuolares pertencentes à superfamília ABC (de ATP-binding cassette) na defesa contra a toxicidade do Pb. O estudo cinético do impacto de duas concentrações de Pb na viabilidade das leveduras (avaliado através de um ensaio clonogénico), na integridade da membrana celular (determinada com iodeto de propídio) e na produção intracelular de ROS (o anião superóxido foi detetado com dihidroetídio e o peróxido de hidrogénio com 2’,7’- diclorodihidrofluoresceína), revelou uma perda progressiva da capacidade proliferativa (53 e 17% de células viáveis, após a exposição durante 3h a 250 ou 1000 µmol/l de chumbo, respetivamente), coincidente com a acumulação intracelular de anião superóxido e de peróxido de hidrogénio, na ausência de perda da integridade membranar. A importância das mitocôndrias na produção de ROS, induzida por chumbo, foi levada a cabo usando um mutante deficiente respiratório desprovido de ADN mitocondrial (ƿ0). Quando comparado com a respetiva estirpe parental, o mutante ƿ0 apresentou uma maior resistência ao Pb e uma menor produção de ROS induzida por Pb. A exposição das células da estirpe BY4741 a 250 e 1000 µmol/l de chumbo originou a formação de 49 e 58% de células deficientes respiratórias, respetivamente. A função da V-ATPase, na desintoxicação de chumbo, foi avaliada utilizando mutantes com uma estrutura vacuolar normal mas defetivos em subunidades da VATPase (vma1Δ, vma2Δ, vma3Δ e vph1Δ). Comparativamente às células da estirpe WT, todos os mutantes testados, sem V-ATPase funcional, apresentaram uma maior suscetibilidade ao Pb. O papel dos transportadores vacuolares pertencentes à superfamília ABC, na defesa contra a toxicidade induzida por chumbo, foi levada a cabo utilizando mutantes sem os transportadores Ycf1p ou Vmr1p. Os resultados preliminares mostraram que quando comparadas com as células da estirpe WT, as células das estirpes ycf1Δ ou vmr1Δ não apresentavam uma maior perda da viabilidade. A modificação da morfologia vacuolar, em células expostas a chumbo, foi visualizada utilizando a estirpe Vma2p-GFP. O tratamento das células com Pb originou a fusão dos vacúolos de tamanho médio num único vacúolo de grande dimensão. Em conclusão, os estudos desenvolvidos no presente trabalho, utilizando a estirpe laboratorial BY4741, mostraram que a perda da capacidade proliferativa das leveduras, induzida pelo chumbo, pode ser atribuída à acumulação intracelular do anião superóxido e de peróxido de hidrogénio. As mitocôndrias parecem ser uma das principais fontes de ROS induzido por Pb e, simultaneamente, um dos principais alvos da sua toxicidade. Em S. cerevisiae, o vacúolo desempenha um papel importante na desintoxicação do Pb. A modificação da morfologia vacuolar após exposição ao chumbo poderá ser a consequência da acumulação de Pb no vacúolo. Enquanto os transportadores da superfamília ABC parecem não estar envolvidos na sequestração vacuolar de Pb, é necessária a presença, num estado funcional, da V-ATPase para que ocorra a compartimentação do Pb. Muito provavelmente, a compartimentação do Pb no vacúolo previne a sua acumulação no citosol e o desencadear dos respetivos efeitos tóxicos.