Global analysis of the genetic and epigenetic contributions to phenotypic plasticity in a wild yeast strain

M28 è un ceppo naturale di Saccharomyces cerevisiae, isolato da vitigni di Montalcino (Toscana), che mostra una affascinante segregazione 2:2 di due tratti non collegati tra loro: la resistenza recessiva ad un analogo tossico della leucina (5’5’5 trifloroleucina, TFL) ed il morfotipo di colonia. Due dei quattro prodotti meiotici (spore) di M28, infatti, crescono generando colonie lisce mentre gli altri due generano complesse strutture filamentose. Analisi preliminari a questo lavoro di tesi hanno dimostrato l’unicità di questo sistema data dall’osservazione che i quattro prodotti meiotici di M28 mostrano una elevata variabilità fenotipica riguardo l’abilità di differenziare in strutture pseudo-ifali nonché la capacità di invadere substrati solidi. Abbiamo successivamente dimostrato che ogni spora è capace di passare da un fenotipo di colonia liscio ad un rugoso, e viceversa, in un processo spontaneo e reversibile che avviene ad alte frequenze. Sedotti da questo intrigante sistema dove le teorie Lamarckiane e Darwiniane sembrano riconciliarsi abbiamo iniziato una investigazione globale volta ad investigare il genoma, il proteoma e la struttura cromatinica di tutti e quattro i prodotti meiotici di una tetrade di M28. Abbiamo così utilizzato tecnologie all’avanguardia sia nel campo della spettrometria di massa che del sequenziamento di ultima generazione, ottenendo i seguenti risultati: i) abbiamo confermato il determinante genetico della resistenza alla TFL mostrando inoltre come una mutazione associata alla perdita di funzione di un gene possa interferire sul metabolismo cellulare, degli amino acidi in questo caso, alterando l’accessibilità della cromatina attraverso modifiche istoniche quali la bi- e tri-metilazione della lisina 4 dell’istone H3 o l’acetilazione dell’istone H4; ii) abbiamo dimostrato che non vi sono polimorfismi che segregano con il tratto “morfologia di colonia” ma piuttosto abbiamo identificato alcuni epi-alleli che segregrano 2:2 con il morfotipo e che potrebbero essere quindi responsabili della segregazione osservata; iii) abbiamo mostrato per la prima volta l’elevata variabilità a livello dell’epigenoma di quattro prodotti meiotici di un ceppo naturale di S. cerevisiae; iv) abbiamo identificato riarrangiamenti proteici strutturali, a carico di alcune proteine associabili ai prioni, durante la transizione da morfotipo di colonia filamentoso a liscio (e viceversa) mostrando che la proteina Hrp1 genera aggregati proteici a localizzazione nucleare il cui numero cambia statisticamente durante la transizione dimorfica. In conclusione i risultati di questo lavoro evidenziano come meccanismi di tipo genetico ed epigenetico possano regolare la plasticità fenotipica in M28 portandoci ad ipotizzare un aggiornamento della teoria del “rinnovamento del genoma” che introduca le variazioni della struttura cromatinica come un meccanismo di adattamento evolutivo che permette l’insorgere di nuovi tratti, potenzialmente vantaggiosi, nella progenie di ceppi di lievito diplodi.