Apoptosis in the yeast saccharomyces cerevisiae : a novel cell death process regulated by the ubiquitin-proteasome system

Abstract

Apoptosis is co-regulated by the conserved family of Bcl-2-related proteins, which includes both its agonists (Bax) and antagonists (Bcl-XL). A mutant strain of the yeast Saccharomyces cerevisiae has been shown to express all morphological signs of apoptosis. Overexpression of Bax is lethal in S. cerevisiae, whereas simultaneous overexpression of Bcl-XL rescues the cells. We report that overexpression of mammalian Bax in a S. cerevisiae wild type strain triggers morphological changes similar to those of apoptotic metazoan cells: the loss of asymmetric distribution of plasma membrane phosphatidylserine, plasma membrane blebbing, chromatin condensation and margination, and DNA fragmentation. Simultaneous overexpression of Bcl-XL prevents these changes. We demonstrate that Bax triggers phenotypic alterations in yeast strongly resembling those it causes in metazoan apoptotic cells. Oxygen radicals are important components of metazoan apoptosis. Oxygen radicals accumulate in yeast cells overexpressing Bax, whereas radical depletion or hypoxia prevents apoptosis. This suggests that the generation of oxygen radicals is a key event in the ancestral apoptotic pathway and offer an explanation for the mechanism of Bax-induced apoptosis in the absence of any established apoptotic gene in yeast. I have identified the yeast gene STM1 in an overexpression screen for new proteasomal substrates. Stm1 is a bona fide substrate of the proteasome. It is localized in the perinuclear region and is required for growth in the presence of mutagens. Overexpression in cells with impaired proteasomal degradation leads to cell death accompanied with cytological markers of apoptosis. Cells lacking Stm1 display deficiency in the apoptosis-like cell death process induced by treatment with low concentrations of H2O2. I suggest that Stm1 is involved in the control of the apoptosis-like cell death in yeast.

Das Apoptoseprogramm wird unter anderem reguliert durch eine Reihe von Bcl-2 verwandten Proteinen, wie Bax oder Bcl-XL. In einer vorausgehenden Arbeit war gezeigt worden, dass eine Mutation in Hefezellen einen Zelltod auslösen kann, der mit den in Säugetierzellen Apoptose-typischen morphologischen Veränderungen einhergeht. Bax Protein bei Expression in Hefezellen einen Zelltod induziert, der die typischen Anzeichen der Apoptose in Säugerzellen aufweist: So wurde ein Verlust der asymmetrischen Verteilung von Phosphatidylserin in der Plasmamembran sowie das Auftreten von Vesikeln an der Plasmamembran beobachtet. Darüber hinaus war ein Kondensieren des Chromatins sowie eine anschließende Anlagerung an die Kernhülle feststellbar. Außerdem konnte mit Hilfe des TUNEL Tests eindeutig eine Fragmentierung der DNA nachgewiesen werden. Diese Untersuchungen zeigten klar, dass der durch Bax in S. cerevisiae Zellen induzierte Zelltod klar apoptotischer Natur ist. Sauerstoffradikale sind wichtige Mediatoren der Apoptose in Metazoen. Die Sauerstoffradikale akkumulieren in Zellen denen Bax überexprimiert wurde. Bei Verminderung der Radikale durch Einsatz von Radikalfängern oder bei Anziehen der Zellen in sauerstofffreiem Medium konnte der durch Bax induzierte Zelltod verhindert werden. Diese Befunde sprechen für das Vorliegen eines konservierten Mechanismus, der durch die Apoptoseregulatoren aus Säugetieren angesprochen werden kann. Um herauszufinden ob Ubiquitin-abhängige Proteolyse in S. cerevisae eine Rolle in der Regulation der Apoptose spielen kann, wurde in einem zweistufigen Ansatz nach potenziell beteiligten Proteinen gesucht. STM1 war durch dieses Verfahren identifiziert. Stm1 konnte als in vivo Substrat des proteasomalen Systems charakterisiert werden. Lokalisationsstudien zeigten, dass Stm1 in der Peripherie des Zellkerns lokalisiert ist. Zellen denen Stm1 fehlt zeigen einen Defekt in der Induktion der Apoptose durch niedrige Konzentrationen von H2O2.