Reproductive Potential of Yeast Cells Depends on Overall Action of Interconnected Changes in Central Carbon Metabolism, Cellular Biosynthetic Capacity, and Proteostasis

Abstract

Carbon metabolism is a crucial aspect of cell life. Glucose, as the primary source of energy and carbon skeleton, determines the type of cell metabolism and biosynthetic capabilities, which, through the regulation of cell size, may affect the reproductive capacity of the yeast cell. Calorie restriction is considered as the most effective way to improve cellular physiological capacity, and its molecular mechanisms are complex and include several nutrient signaling pathways. It is widely assumed that the metabolic shift from fermentation to respiration is treated as a substantial driving force for the mechanism of calorie restriction and its influence on reproductive capabilities of cells. In this paper, we propose another approach to this issue based on analysis the connection between energy-producing and biomass formation pathways which are closed in the metabolic triangle, i.e., the respiration-glycolysis-pentose phosphate pathway. The analyses were based on the use of cells lacking hexokinase 2 (∆hxk2) and conditions of different glucose concentration corresponding to the calorie restriction and the calorie excess. Hexokinase 2 is the key enzyme involved in central carbon metabolism and is also treated as a calorie restriction mimetic. The experimental model used allows us to explain both the role of increased respiration as an effect of calorie restriction but also other aspects of carbon metabolism and the related metabolic flux in regulation of reproductive potential of the cells. The obtained results reveal that increased respiration is not a prerequisite for reproductive potential extension but rather an accompanying effect of the positive role of calorie restriction. More important seems to be the changes connected with fluxes in central carbon metabolic pathways resulting in low biosynthetic capabilities and improved proteostasis.

Downregulation of ammonium uptake improves the growth and tolerance of Kluyveromyces marxianus at high temperature

“…This is because the glyoxylate pathway is a faster pathway for oxaloacetate production than the TCA cycle, which is conducive to synthesizing amino acids of the aspartate family, such as aspartic acid, asparagine, threonine, methionine, and lysine (Figure 3 ). To assimilate inorganic nitrogen, yeast also needs to constantly synthesize carbon skeletons that are mainly from the intermediates of sugar metabolism (Maslanka & Zadrag‐Tecza, 2020 ). Therefore, it is reasonable that PCK1 , a key enzyme for sugar gluconeogenesis, is the most significantly upregulated gene in the KM234 strain at high temperatures.…”

Wieloaspektowa rola glukozy i jej metabolizmu w regulacji parametrów fizjologicznych i potencjału reprodukcyjnego komórek na podstawie badań z użyciem drożdży Saccharomyces cerevisiae

“…A jak pokazują ostatnie badania delecja genu HXK2 w komórkach drożdży generuje szeroki zakres zmian metabolicznych skutkujący m.in. obniżeniem ogólnych możliwości biosyntetycznych komórki, ale jednocześnie lepszą proteostazą i zwiększonym potencjałem reprodukcyjnym komórek [51].…”

“…metabolic flux) z gli- kolizy w kierunku oddychania tlenowego, na co wskazuje m.in. wyższy poziomom ATP notowany w tych warunkach [48,51]. Dane te są zgodne z wynikami prezentującymi związek pomiędzy zwiększeniem długości życia w warunkach restrykcji kalorycznej a zwiększonym oddychaniem tlenowym [40,45].…”

“…Dane te są zgodne z wynikami prezentującymi związek pomiędzy zwiększeniem długości życia w warunkach restrykcji kalorycznej a zwiększonym oddychaniem tlenowym [40,45]. W świetle uzyskanych wyników wydaje się jednak, że zwiększony poziom oddychania tlenowego nie jest przyczyną zwiększenia potencjału reprodukcyjnego, a raczej skutkiem przekierowania metabolicznego [51]. To wyjaśniałoby, dlaczego warunki restrykcji kalorycznej mogą również prowadzić do zwiększenia długości życia w komórkach drożdży niekompletnych oddechowo (rho 0 ) [42], u których oddychanie tlenowe nie zachodzi.…”

“…Z kolei zaobserwowany wzrost udziału NADP+ w całkowitej puli NADP(H) może być spowodowany zwiększonym zużyciem NADPH wynikającym z wymagań reakcji anabolicznych, bowiem według danych literaturowych procesy biosyntetyczne wymagają utlenienia NADPH do NADP+ w ilości ok. 6,5 mmola na 1 g biomasy [66]. Taką możliwość potwierdzają również badania prowadzone na komórkach ludzkich prezentujące spadek wartości stosunku NADPH/NADP+ z równoczesnym wzrostem poziomu NADP+ w sytuacji zwiększonych potrzeb anabolicznych komórki [51,67].…”