Heterologous expression of mammalian phospholipase D1 and D2 in the yeast model

Abstract

Lipídos são moléculas com funções biológicas extremamente diversas, desde fontes de energia armazenada, a cofatores de enzimas e mensageiros intracelulares. Os glicerofosfolipídos, ou simplesmente fosfolipídos, são uma categoria de lipídos tipicamente conhecida como sendo componentes maioritários das membranas celulares. Quando fosfolipídos são hidrolisados por fosfolipases, os compostos resultantes podem atuar como mensageiros secundários ou mediadores, apresentando um papel importante no metabolismo e estrutura celular e em vias de transdução de sinal. A fosfolipase D (PLD), uma das principais classes de fosfolipases, hidrolisa a ligação fosfodiéster na fosfatidilcolina, produzindo ácido fosfatídico e colina. A sua ação está descrita em diversos organismos, incluido leveduras, mamíferos, bactérias e plantas. Em mamíferos, duas isoformas de PLD foram identificadas: a PLD1 e a PLD2, e a sua atividade tem sido associada a um grande número de condições patofisiológicas, nomeadamente doenças cardíacas, cancro e doenças neurodegenerativas. Especificamente, a PLD1 e a PLD2 têm sido identificadas como tendo um papel extremamente importante na doença de Alzheimer (AD). SPO14 é o ortólogo da PLD em levedura, codificando para a atividade PLD em S. cerevisiae, onde este gene é essencial para a meiose e a formação dos esporos. Apesar da sua semelhança no que toca à atividade catalítica e estrutura global, a PLD1 e PLD2 estão diferencialmente implicadas em diversas condições biológicas e vários aspetos da sua função distinta nas células estão ainda por desvendar. Com um conjunto robusto de vantagens manipulativas e sendo SPO14, provavelmente, a única fonte canónica de atividade PLD em S. cerevisiae, esta espécie apresenta-se como um modelo relevante e ideal para o estudo dos papéis diferenciais da PLD1 e PLD2 mamíferas. O objetivo desta tese foi, então, estudar as enzimas mamíferas PLD1 e PLD2 usando o modelo de levedura, desenvolvendo mutantes para o SPO14, onde foram heterologamente expressas versões otimizadas do PLD1 e PLD2 de mamíferos. Foi desenvolvido um conjunto de ferramentas moleculares valiosas, que permitirão a exploração de vários aspetos relevantes da relação genótipo-para-fenótipo da PLD1 e PLD2 no contexto da AD. Globalmente, estas ferramentas possibilitam investigação adicional sobre potenciais diferenças biológicas entre estas isoenzimas mamíferas, usando S. cerevisiae como modelo

Lipids are ubiquitous molecules with extremely diverse biological functions, from being stored energy sources, to acting as enzyme cofactors and intercellular messengers. Glycerophospholipids, also commonly called phospholipids, are a category of lipids mainly known for being major constituents of cell membranes and, when hydrolyzed by phospholipases, the resulting compounds can act as second messengers or mediators, playing important metabolic and structural roles as well as being involved in an array of signal transduction pathways. Phospholipase D (PLD), one of the major phospholipase classes, hydrolyzes the phosphodiester bond on phosphatidylcholine, producing phosphatidic acid and choline. Its action has been reported in several organisms including yeast, mammals, bacteria and plants. In mammals, two isoforms of PLD have been identified: PLD1 and PLD2, and their activity has been strongly associated with a number of pathophysiological conditions, namely heart disease, cancer and neurodegenerative diseases. Specifically, the PLD1 and PLD2 have been strongly implicated in Azlheimer’s disease (AD). SPO14 is the yeast ortholog of PLD, encoding the major phospholipase D activity in S. cerevisiae, where this gene is essential for meiosis and spore formation. Despite their similarity in catalytic function and overall structure, PLD1 and PLD2 are differentially implicated in various biological conditions and several aspects of PLD1’s and PLD2’s distinct function in cells are yet to be unveiled. With a robust set of manipulative advantages and with SPO14 likely being the only source of canonical PLD activity in this species, S. cerevisiae presents itself as an ideal and relevant model to study the differential roles of mammalian PLD1 and PLD2 in the cell. The aim of this thesis was to study mammalian PLD1 and PLD2 using the yeast model, by developing SPO14 yeast mutants which were used to heterologously expressing codon optimized versions of mammalian PLD1 and PLD2 . A set of valuable molecular tools was generated, which will allow for the exploration of several relevant aspects of the genotype-to-phenotype relationship of PLD1 and PLD2 in the context of AD. Overall, these tools permit further investigation of the potential biological differences between these mammalian isoenzymes using the S. cerevisiae model