Transcriptomic analysis of cobalt stress in the marine yeast Debaryomyces hansenii

Abstract

Debaryomyces hansenii is a very versatile marine yeast capable of thriving under extreme conditions. Particularly important studies performed on this yeast include studies on osmotolerance and heavy metal resistance of various strains. With respect to its capability to survive when exposed to high concentrations of the heavy metal cobalt (Co (II)), strain J6 revealed to be highly tolerant. In an attempt to elucidate the mechanisms that activate in order to survive toxic exposure to heavy metals, microarrays of J6 were performed. This revealed that J6 was largely divergent from the type strain’s, 767, genome. Given that the only available genome was that of the type strain, another approach needed to be taken in order to understand how J6 survives exposure to heavy metals. For this reason, a transcriptomic study was needed. By sequencing J6’s RNA after exposure to Co (II) in a time series experiment and comparing it to a control sample, identification of possible products, given that RNA can be used as a proxy for proteins, can thus allow us to identify the function of genes that are turned on and off during exposure. This analysis will provide information on the survival or adaptation mechanisms that J6 has developed. In order to elucidate such mechanisms, various steps need to be followed: (i) identify the concentration of soluble cobalt that reduced the yeast cell density by half (this will give maximum response to stress), (ii) RNA sequencing, (iii) data processing and mapping to other similar yeast genomes, (iv) bioinformatics, in order to allocate biological function to each identified gene and elucidate survival mechanisms, and (v) validation of RNA sequencing data. As a result of this study we were able to identify highly upregulated genes under heavy metal stress conditions to mainly fall into the following categories: (i) DNA damage and repair genes, (ii) oxidative stress response genes, and (iii) genes for cell wall integrity and growth. The main response of D. hansenii when in heavy metal stress is the activation of non-enzymatic oxidative stress response mechanisms and the control of biological production of reactive oxygen species. Our results indicate that although J6 does not seem to be preadapted to survive high heavy metal concentrations, its survival and detoxifying mechanisms are enough for the cells to recover quickly after heavy metal stress conditions.

Debaryomyces hansenii es una levadura marina muy versátil, capaz de prosperar bajo condiciones extremas. Estudios particularmente importantes realizados con varias cepas de esta levadura incluyen estudios sobre osmotolerancia y resistencia a metales pesados. Con respecto a su capacidad para sobrevivir cuando se expone a altas concentraciones del metal pesado cobalto (Co (II)), la cepa J6 reveló ser altamente tolerante. En un intento de elucidar los mecanismos que se activan en J6 con el fin de sobrevivir a la exposición tóxica a metales pesados, se realizó un estudio de microarreglos. Esto reveló que J6 era en grandemente divergente al genoma de 767, la cepa tipo. Teniendo en cuenta que el único genoma disponible era el de la cepa tipo, fue necesario adoptar otro enfoque con el fin de entender cómo J6 sobrevive la exposición a metales pesados. Por esta razón, se necesitó un estudio de transcriptómica. Con la secuenciación del ARN de J6 después de la exposición a Co (II) en un experimento de series de tiempo en comparación con una muestra control, permite la identificación de posibles productos, dado que el ARN puede ser utilizado como un proxy para proteínas, lo que nos puede permitir identificar la función de genes que están activados o desactivados como reacción a la exposición a cobalto. Este análisis proporcionará información sobre los mecanismos de supervivencia o de adaptación que J6 ha desarrollado. Con el fin de elucidar estos mecanismos se deben seguir los siguientes pasos: (i) identificar la concentración de cobalto soluble que reduce la densidad de las células de levadura a la mitad (esto nos permitirá ver la máxima respuesta al estrés), (ii) secuenciación del ARN, (iii) procesamiento de datos y “mapping” a otros genomas de levadura similares, (iv) bioinformática, con el fin de asignar la función biológica de cada gen identificado y elucidar los mecanismos de supervivencia, y (v) validación de los datos de secuenciación de ARN. Como resultado de este estudio hemos sido capaces de identificar los genes altamente regulados bajo condiciones de estrés por exposición a metales pesados, los cuales caen principalmente en las siguientes categorías: (i) daño y reparación del ADN, (ii) genes de respuesta al estrés oxidativo, y (iii) genes para la integridad de la pared celular y el crecimiento. La principal respuesta de D. hansenii bajo condiciones de estrés por exposición metales pesados es la activación de mecanismos no enzimáticos como respuesta al estrés oxidativo y el control de la producción biológica de especies reactivas de oxígeno. Nuestros resultados indican que aunque J6 no parece estar preadaptada a sobrevivir concentraciones altas de metales pesados, sus mecanismos de supervivencia y desintoxicación son suficientes para que las células se recuperan rápidamente después de estas condiciones de estrés.