MicrobiologyMicrobiologyМикробиология0026-36563034-5464The Russian Academy of Sciences69875210.7868/S3034546425060077EXPERIMENTAL ARTICLESЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticlePleiotropic Effects of Knockout Mutations in the TPS1 and TPS2 Genes Encoding Trehalose Biosynthesis Enzymes of Saccharomyces cerevisiaeПЛЕЙОТРОПНЫЕ ЭФФЕКТЫ НОКАУТ-МУТАЦИЙ В ГЕНАХ TPS1 И TPS2, КОДИРУЮЩИХ ФЕРМЕНТЫ БИОСИНТЕЗА ТРЕГАЛОЗЫ У SACCHAROMYCES CEREVISIAE 1KulakovskayaE. V.КулаковскаяЕ. В.e.kulakovskya@ibpm.ruTorgovV. I.ТорговВ. И.email@example.comNifantievN. E.НифантьевН. Э.email@example.comRekstinaV. V.РекстинаВ. В.email@example.comKalebinaT. S.КалебинаТ. С.email@example.comFRC “Pushchino Scientific Center for Biological Research of the Russian Academy of Sciences”, G.K. Skryabin Institute of Biochemistry and Physiology of MicroorganismsФИЦ “Пущинский научный центр биологических исследований Российской академии наук”, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАНN.D. Zelinsky Institute of Organic Chemistry, Russian Academy of SciencesИнститут органической химии им. Н.Д. Зелинского РАНLomonosov Moscow State University, Faculty of Biology, Department of Molecular BiologyМГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра молекулярной биологии16122025946VOL 94, NO6 (2025)ТОМ 94, №6 (2025)57358116122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://snv63.ru/0026-3656/article/view/698752

The TPS1 and TPS2 genes encoding trehalose-6-phosphate synthase and trehalose-6-phosphate phosphatase play an important role in protecting yeast and fungal cells from temperature stress, dehydration and oxidants, since resistance to these stresses requires accumulation of trehalose. In this work, it was shown that Saccharomyces cerevisiae strains with knockout mutations in the TPS1 and TPS2 genes have greater resistance to heavy metal ions and alkaline stress compared to the parental strain. These mutations do not lead to significant changes in the polyphosphate content in the cells, indicating the absence of a direct relationship between phosphorus homeostasis and the ability to accumulate trehalose. In the cells of Δtps2 the change in localization of cell wall protein Bgl2p was observed: this protein appeared to be intracellular. It is assumed that the resistance of knockout strains to heavy metal ions and alkali is associated with additional pleiotropic effects of these mutations.

Гены TPS1 и TPS2, кодирующие трегалозо-6-фосфатсинтазу и трегалозо-6-фосфатфосфатазу, играют важную роль в защите клеток дрожжей и грибов от температурных стрессов, обезвоживания и окислителей, так как устойчивость к этим стрессам требует накопления трегалозы. В данной работе показано, что штаммы Saccharomyces cerevisiae с нокаут-мутациями в генах TPS1 и TPS2 обладают большей устойчивостью к воздействию ионов тяжелых металлов и щелочному стрессу по сравнению с родительским штаммом. Эти мутации не приводят к существенным изменениям в содержании полифосфатов в клетках, что говорит об отсутствии прямой взаимосвязи между гомеостазом фосфора и способностью к накоплению трегалозы. У мутанта TPS2 наблюдается изменение локализации белка клеточной стенки Bgl2p: белок обнаруживается внутри клетки. Предполагается, что устойчивость штаммов нокаутов к ионам тяжелых металлов и щелочи связана с дополнительными плейотропными эффектами указанных мутаций.

Saccharomyces cerevisiaeTPS1TPS2stressheavy metalsalkaliinorganic polyphosphateendo-β-1,3-glucanase Bgl2pSaccharomyces cerevisiaeTPS1TPS2стресстяжелые металлыщелочьнеорганические полифосфатыглюканоэпитрансгликозилаза Bgl2pThe biochemical part of the work was carried out under the program of the State Assignment "Metabolic Processes in Microorganisms under Stressful Conditions" No. 0114-2016-0004. The development of a method for determining trehalose and the analysis of its content in yeast cells were supported by RSF grant No. 19-73-30017-P.Биохимическая часть работы выполнена по программе Государственного задания “Метаболические процессы у микроорганизмов при стрессовых воздействиях” № 0114-2016-0004. Разработка метода определения трегалозы и анализ ее содержания в клетках дрожжей проведены при поддержке гранта РНФ № 19-73-30017-П.Трилисенко Л.В., Валиахметов А.Я., Кулаковская Т.В. Физиологические особенности Saccharomyces cerevisiae при сверхэкспрессии полифосфатазы Pрх1 // Микробиология. 2023. Т. 92. С. 396–403.Trilisenko L.V., Valiakhmetov A.Ya., Kulakovskaya T.V. Physiological characteristics of Saccharomyces cerevisiae strain overexpressing polyphosphatase Ppx1 // Microbiology (Moscow). 2023. V. 92. P. 545‒551.Трилисенко Л.В., Ледова Л.А., Рязанова Л.П., Кулаковская Е.В., Томашевский А.А., Кулаковская Т.В. Полифосфаты, полифосфатазная активность и устойчивость к стрессам нокаут-мутантов генов Saccharomyces cerevisiae, кодирующих полифосфатазы Ppn1 и Ppn2 // Biologia et Biotechnologia. 2024. Т. 1. С. 2‒11.Trilisenko L.V., Ledova L.A., Ryazanova L.P., Kulakovskaya E.V., Tomashevsky A.A., Kulakovskaya T.V. Polyphosphates, polyphosphatase activity and stress resistance of knockout mutants in the PPN1 and PPN2 genes of Saccharomyces cerevisiae Ppn1 and Ppn2 // Biologia et Biotechnologia. 2024. V. 1. Art. 4. http://dx.doi.org/10.21203/rs.3.rs-3845419/v1Феофилова Е.П., Усов А.И., Мысякина И.С., Кочкина Г.А. Трегалоза: особенности химического строения, биологические функции и практическое значение // Микробиология. 2014. Т. 83. С. 271–283.Feofilova E.P., Usov A.I., Mysyakina I.S., Kochkina G.A. Trehalose: chemical structure, biological functions and practical application // Microbiology (Moscow). 2014. V. 83. P. 184–194. https://doi.org/10.1134/S0026261714020064Andreeva N., Ledova L., Ryazanova L., Tomashevsky A., Kulakovskaya T., Eldarov M. Ppn2 endopolyphosphatase overexpressed in Saccharomyces cerevisiae: comparison with Ppn1, Ppx1, and Ddp1 polyphosphatases // Biochimie. 2019. V. 163. P. 101‒107.Cervantes-Chavez J.A., Valdes-Santiago L., Bakkeren G., Hurtado-Santiago E., León-Ramírez C.G., Esquivel-Naranjo E.U., Landeros-Jaime F., Rodríguez-Aza Y., Herrera J.R. Trehalose is required for stress resistance and virulence of the Basidiomycota plant pathogen Ustilago maydis // Microbiology (Reading). 2016. V. 162. P. 1009–1022.Chen A., Smith J.R., Tapia H., Gibney P.A. Characterizing phenotypic diversity of trehalose biosynthesis mutants in multiple wild strains of Saccharomyces cerevisiae // G3 (Bethesda). 2022. V. 12. Art. 196.Divate N.R., Chen G.H., Wang P.M., Ou B.R., Chung Y.C. Engineering Saccharomyces cerevisiae for improvement in ethanol tolerance by accumulation of trehalose // Bioengineered. 2016. V. 7. P. 445–458. https://doi.org/10.1080/21655979.2016.1207019Estruch F. Stress-controlled transcription factors, stress-induced genes and stress tolerance in budding yeast // FEMS Microbiol. Rev. 2000. V. 24. P. 469‒486.Gomes A.M.V., Orlandi A.C.A.L., Parachin N.S. Deletion of the trehalose tps1 gene in Kluyveromyces lactis does not impair growth in glucose // FEMS Microbiol. Lett. 2020. V. 367. Art. 072.Goughenour K., Creech A., Xu J., He X., Hissong R., Giamberardino C., Tenor J., Toffaletti D., Perfect J., Olszewski M. Cryptococcus neoformans trehalose-6-phosphate synthase (tps1) promotes organ-specific virulence and fungal protection against multiple lines of host defenses // Front. Cell Infect. Microbiol. 2024. V. 14. Art. 1392015.Guirao-Abad J.P., Pujante V., Sanchez-Fresneda R., Yague G., Arguelles J.C. Sensitivity of the Candida albicans trehalose-deficient mutants tps1Δ and tps2Δ to amphotericin B and micafungin // J. Med. Microbiol. 2019. V. 68. P. 1479–1488.Jiang H., Liu G.L., Chi Z., Hu Z., Chi Z.M. Genetics of trehalose biosynthesis in desert-derived Aureobasidium melanogenum and role of trehalose in the adaptation of the yeast to extreme environments // Curr. Genet. 2018. V. 64. P. 479‒491.Kalebina T.S., Laurinavichiute D.K., Packeiser A.N., Morenkov O.S., Ter-Avanesyan M.D., Kulaev I.S. Correct GPI-anchor synthesis is required for the incorporation of endoglucanase/glucanosyltransferase Bgl2p into the Saccharomyces cerevisiae cell wall // FEMS Microbiol. Lett. 2002. V. 210. P. 81‒85.Kalebina T.S., Plotnikova T.A., Gorkovskii A.A., Selyakh I.O., Galzitskaya O.V., Bezsonov E.E., Gellissen G., Kulaev I.S. Amyloid-like properties of Saccharomyces cerevisiae cell wall glucantransferase Bgl2p: prediction and experimental evidences // Prion. 2008. V. 2. P. 91‒96.Kandror O., Bretschneider N., Kreydin E., Cavalieri D., Goldberg A.L. Yeast adapt to near-freezing temperatures by STRE/Msn2,4-dependent induction of trehalose synthesis and certain molecular chaperones // Mol. Cell. 2004. V. 13. P. 771–781.Kawahata M., Masaki K., Fujii T., Iefuji H. Yeast genes involved in response to lactic acid and acetic acid: acidic conditions caused by the organic acids in Saccharomyces cerevisiae cultures induce expression of intracellular metal metabolism genes regulated byAft1p // FEMS Yeast Res. 2006. V. 6. P. 924–936.Kim B., Lee Y., Choi H., Huh W.K. The trehalose-6-phosphate phosphatase Tps2 regulates ATG8 transcription and autophagy in Saccharomyces cerevisiae // Autophagy. 2021. V. 17. P. 1013–1027.Kulakovskaya T. Inorganic polyphosphates and heavy metal resistance in microorganisms // World J. Microbiol. Biotechnol. 2018. V. 34. Art. 139. https://doi.org/10.1007/s11274-018-2523-7Kwon H.B., Yeo E.T., Hahn S.E., Bae S.C., Kim D.Y., Byun M.O. Cloning and characterization of genes encoding trehalose-6-phosphate synthase (TPS1) and trehalose-6-phosphate phosphatase (TPS2) from Zygosaccharomyces rouxii // FEMS Yeast Res. 2003. V. 3. P. 433‒440.Mahmud S.A., Nagahisa K., Hirasawa T., Yoshikawa K., Ashitani K., Shimizu H. Effect of trehalose accumulation on response to saline stress in Saccharomyces cerevisiae // Yeast. 2009. V. 26. P. 17‒30.Mahmud S.A., Hirasawa T., Shimizu H. Differential importance of trehalose accumulation in Saccharomyces cerevisiae in response to various environmental stresses // J. Biosci. Bioeng. 2010. V. 109. P. 262‒266.Martinez-Esparza M., Martinez-Vicente E., Gonzalez-Parraga P., Ros J.M., Garcia-Penarrubia P., Arguelles J.C. Role of trehalose-6P phosphatase (TPS2) in stress tolerance and resistance to macrophage killing in Candida albicans // Int. J. Med. Microbiol. 2009. V. 299. P. 453‒464.McMillan S.D., Oberlie N.R., Hardtke H.A., Montes M.M., Brown D.W., McQuade K.L. A secondary function of trehalose-6-phosphate synthase is required for resistance to oxidative and desiccation stress in Fusarium verticillioides // Fungal Biol. 2023. V. 127. P. 918‒926.Motorin N.A., Makarov G.I., Rekstina V.V., Evtushenko E.G., Sabirzyanov F.A., Ziganshin R.H., Shaytan A.K., Kalebina T.S. Yeast glucan remodeling protein Bgl2p: amyloid properties and the mode of attachment in cell wall // Int. J. Mol. Sci. 2024. V. 25. Art. 13703. https://doi.org/10.3390/ijms252413703Pereira M.D., Eleutherio E.C.A., Panek A.D. Acquisition of tolerance against oxidative damage in Saccharomyces cerevisiae // BMC Microbiol. 2001. V. 1. Art. 11. https://doi.org/10.1186/1471-2180-1-11Rekstina V.V., Sabirzyanova T.A., Sabirzyanov F.A., Adzhubei A.A., Tkachev Y.V., Kudryashova I.B., Snalina N.E., Bykova A.A., Alessenko A.V., Ziganshin R.H., Kuznetsov S.A., Kalebina T.S. The post-translational modifications, localization, and mode of attachment of non-covalently bound glucanosyltransglycosylases of yeast cell wall as a key to understanding their functioning // Int. J. Mol. Sci. 2020. V. 21. Art. 8304.Schmidt M., Akasaka K., Messerly J.T., Boyer M.P. Role of Hog1, Tps1 and Sod1 in boric acid tolerance of Saccharomyces cerevisiae // Microbiology (Reading). 2012. V. 158. P. 2667–2678.Serra-Cardona A., Canadell D., Arino J. Coordinate responses to alkaline pH stress in budding yeast // Microb. Cell Graz Austria. 2015. V. 2. P. 182–196.Stambuk B.U., De Araujo P.S., Panek A.D., Serrano R. Kinetics and energetics of trehalose transport in Saccharomyces cerevisiae // Eur. J. Biochem. 1996. V. 237. P. 876‒881.Tan H., Dong J., Wang G., Xu H., Zhang C., Xiao D. Enhanced freeze tolerance of baker’s yeast by overexpressed trehalose-6-phosphate synthase gene (TPS1) and deleted trehalase genes in frozen dough // J. Ind. Microbiol. Biotechnol. 2014. V. 41. P. 1275–1285.Vagabov V.M., Trilisenko L.V., Kulakovskaya T.V., Kulaev I.S. Effect of a carbon source on polyphosphate accumulation in Saccharomyces cerevisiae // FEMS Yeast Res. 2008. V. 8. P. 877‒882.Yoshikawa Y., Matsumoto K., Nagata K., Sato T. Extraction of trehalose from thermally-treated bakers’ yeast // Biosci. Biotech. Biochem. 1994. V. 58. P. 1226‒1230.Yuan B., Wang W.B., Wang Y.T., Zhao X.Q. Regulatory mechanisms underlying yeast chemical stress response and development of robust strains for bioproduction // Curr. Opin. Biotechnol. 2024. V. 86. Art. 103072.Zaragoza O., Blazquez M.A., Gancedo C. Disruption of the Candida albicans TPS1 gene encoding trehalose-6-phosphate synthase impairs formation of hyphae and decreases infectivity // J. Bacteriol. 1998. V. 180. P. 3809–3815.