Evolution of Yeast Respiro-Fermentative Lifestyle and the Underlying Mechanisms Behind Aerobic Fermentation

Abstract

Under aerobic conditions, most yeasts such as Kluyveromyces lactis, prefer the respiratory pathway and some, such as Saccharomyces cerevisiae prefer less energy efficient fermentative pathway for their energy metabolism. These two metabolic strategies are also known as Crabtree negative and Crabtree positive respectively, and the evolution of the latter has lately been explained by the “make-accumulate-consume” life strategy. Scientists have for more than a century tried to elucidate the mechanism behind the physiology and the evolution of the peculiar respiro-fermentation trait.



During the last decades, comparative genomics approaches have enabled the reconstruction of the evolutionary history of yeast, and several evolutionary events have been identified and postulated to have contributed to the development of the respiro-fermentative lifestyle in the Saccharomyces lineage. However, many of these inspiring studies have been verified with reference species only. Therefore, as parts of my thesis I conducted large-scale physiology studies of more than 40 yeast species and their central carbon metabolism under controlled conditions, in bioreactors. This was done in order to map the evolution of aerobic fermentation in yeast belonging to the Saccharomyces lineage that span over 200 million years of yeast evolution.



This evolutionary blueprint, which most likely will be an invaluable information source of primary data for future in silico studies on the evolution of Crabtree effect, has already verified the importance of evolutionary events, such as promoter rewiring, chromatin relaxation, whole genome duplication, gene duplication and lateral gene-transfers. I further propose a mechanism that provides an explanation for the origin of the respiro-fermentative lifestyle in yeast, and how this was subsequently, through a multistep process developed into the Crabtree effect as we know it in the modern yeasts today, such as S. cerevisiae and its sister species.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Jäst kan antingen bryta ner socker direkt till koldioxid och vatten genom andning, eller indirekt via koldioxid och etanol, genom jäsning. Andning är en process som förbrukar syre, och sker därför endast under syrerika (aeroba) förhållanden. Jäsning kräver till skillnad från andning inte tillgång till syre, och kan därför ske under syrefattiga (anaeroba) förhållanden.



Eftersom andning är en mer effektiv strategi för utvinning av energi från socker för tillväxt så föredrar många jästarter, som t.ex. Kluyveromyces lactis att andas under aeroba förhållanden. Andra jästarter, som t.ex. bryggeri- och bagerijästen Saccharomyces cerevisiae föredrar dock jäsning, även under aeroba förhållanden. Jäst som uppvisar aerob jäsning tillhör kategorin Crabtree positiva, vilket är en karakteristisk fysiologi hos olika typer av tumörceller, som upptäcktes 1929 av biokemisten Herbert Crabtree.



Det är ett mysterium varför Crabtree effekten existerar i naturen, och detta fenomen som ger upphov till jäsning under aeroba förhållanden har förbryllat många vetenskapsmän sedan upptäckten av bryggerijästen och dess aktivitet, av Louis Pasteur för mer än 150 år sedan. Tack vare genomsekvenseringen av S. cerevisiae och andra närbesläktade arter inom familjen Saccharomycetaceae under de senaste årtionden så har man, med hjälp av komparativa studier av jästgenom, kunnat rekonstruera släktträd och identifiera evolutionära händelser som kan ha bidragit till uppkomsten av aerob jäsning och Crabtree effekten.



Även om de inspirerande komparativa studierna av olika jästgenom har underlättats av den ständigt ökande tillgängligheten av sekvenserade genom, så har verifieringen av dessa studier oftast varit begränsade till fysiologin hos ett fåtal referensarter. Därför har jag, som en del i mitt doktorandprojekt utfört en storskalig fysiologisk undersökning av mer än 40 olika jästarter, under likformiga och kontrollerade förhållanden i bioreaktorer. Detta gjordes för att ”kartlägga” evolutionen av aerob jäsning och Crabtree effekten hos jästarter med en gemensam evolutionär historia på över 250 miljoner år.



Min storskaliga undersökning av jästfysiologin hos många olika jästarter har genererat en stor mängd rådata som troligen kommer att utgöra en fortsatt viktig informationskälla för framtida studier, främst inom systembiologin, och i utvecklingen av liknande fysiologi i parallella biologiska system. Resultatet från mina studier har redan bekräftat vikten av olika evolutionära mekanismer som kan ha bidragit till aerob jäsning och Crabtree effekten, som exempelvis förändringar i promotor sekvenser, packning och upplindning av kromatinet, gen och genom duplicering, och horisontell genöverföring.



Slutligen så föreslår jag en fundamental mekanism som kan förklara uppkomsten av aerob jäsning i familjen Saccharomycetaceae, och hur detta sedermera har utvecklats till Crabtree effekten som vi känner till idag i de moderna jästarterna, S. cerevisiae och dess närbesläktade arter.

• author: Hagman, Arne
• supervisor: Jure Piskur
• opponent: Professor Breunig, Karin, Martin Luther University of Halle-Wittenberg, Institute of Biology, Halle, Germany
• organization: Department of Biology
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Crabtree effect, aerobic fermentation, respiro-fermentation, ethanol production, yeast, central carbon metabolism, evolution of alternative lifestyles
• pages: 216 pages
• defense location: Biology House A, Lecture Hall, Sölvegatan 35, Lund
• defense date: 2013-10-28 09:15:00
• ISBN: 978-91-7473-710-3 (electronic version)
• ISBN: 978-91-7473-709-7 (printed version)
• language: English
• LU publication?: yes
• id: bdf38ca8-aef6-4111-b3d4-d0b549d42a0e (old id 4065087)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:45:14
• date last changed: 2024-03-05 09:17:39