Mechanisms of Cellular Stress Adaptation - Research Collection

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Mechanisms of Cellular Stress
Adaptation

 Doctoral Thesis

 Author(s):
 Jann, Cosimo

 Publication date:
 2020

 Permanent link:
 https://doi.org/10.3929/ethz-b-000480073

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DISS. ETH NO. 27133

Mechanisms of Cellular Stress Adaptation

    A thesis submitted to attain the degree of

   DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH

              (Dr. sc. ETH Zurich)

                  presented by

            Cosimo Emanuel Jann

       M. Sc. University of Kaiserslautern

              born on 20.10.1989

               citizen of Germany

      accepted on the recommendation of

            Prof. Dr. Karsten Weis
          Prof. Dr. Lars M. Steinmetz
          Prof. Dr. Benoît Kornmann

                      2020

Summary

Cells need to continuously adapt to changes in their environment, such as a rise in tem-
perature. Heat causes proteins to unfold, thereby compromising intracellular processes
and structures. To brace against this menace, organisms have evolved a highly conserved
protective programme, the so-called heat shock response (HSR). Tight regulation of the HSR
is critical for cellular survival. However, our understanding of the signalling pathways that
control the HSR and their contributions to growth and stress tolerance is incomplete.
In the core part of this thesis, I apply recently emerged CRISPR interference and activation
(CRISPRi/a) systems to perturb transcription factors and protein kinases in baker’s yeast.
I quantify effects of these perturbations on the HSR, growth and heat adaptation. Besides
uncovering new technical insights into CRISPR/Cas genetic screens in yeast, this study
provides a systems perspective on the signalling pathways that regulate the HSR and links
these with roles in cellular protection.
I then apply a similar screen setup to identify gene functions important for yeast growth
in a complex lignocellulose medium. The use of this medium as sustainable feedstock
in biotechnology processes is hampered by the contained toxins. The presented screens
reveal genetic rewiring associated with toxicity and thus suggest concepts for yeast strain
optimisation in sustainable biotechnology.
I further introduce an approach for determining the interactome of misfolded proteins in
human cells. Interactors of folding-deficient proteins potentially include yet unknown protein
quality control and HSR signalling components with high relevance for diseases associated
to protein misfolding .
Finally, I present the design of two genetic tools, a precise CRISPRi system and an artificial
genome editing tool, to push beyond the limitations of current methods.
In summary, the results presented in this thesis advance our understanding of the mechanisms
that allow eukaryotic cells to adapt to heat and proteotoxic stress, demonstrate the power
of CRISPRi screens for facilitating sustainable fermentation processes, and present new
technologies with potential applications in functional genomics research and medicine.

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Zusammenfassung

Zellen müssen sich ständig an ihre Umwelt anpassen, z.B. einem Temperaturanstieg. Hitze
führt zur Entfaltung von Proteinen und schädigt dadurch intrazelluläre Prozesse und Struk-
turen. Um dieser Bedrohung entgegenzuwirken haben alle Lebewesen ein hoch konserviertes
Schutzprogramm, die sogenannte Hitzeschockantwort, entwickelt. Die scharfe Regula-
tion der Hitzeschockantwort ist essenziell für das Überleben einer jeden Zelle. Unser
Wissensstand über die zellulären Signaltransduktionswege welche die Hitzeschockantwort
kontrollieren, sowie deren Auswirkung auf Wachstum und Stresstoleranz, ist unvollständig.
Im Hauptteil dieser Arbeit verwende ich kürzlich entwickelte CRISPR Interferenz- und
Aktivierungssysteme (CRISPRi/a), um Transkriptionsfaktoren und Proteinkinasen in der
Bäckerhefe zu modulieren. Ich quantifiziere Effekte dieser Perturbationen auf die Hitzeschock-
antwort, Wachstum und Anpassung an Hitzestress. Neben neuen technischen Einblicken in
genetische CRISPR/Cas Screens in Hefe gibt diese Studie einen systemischen Überblick auf
die Signaltransduktionswege, welche die Hitzeschockantwort regulieren und verknüpft diese
mit zellulären Schutzfunktionen.
Nachfolgend nutze ich einen ähnlichen Versuchsaufbau, um Genfunktionen zu identifizieren,
welche für Hefewachstum in einem komplexen Lignozellulose-Medium wichtig sind. Die
Nutzung dieses Mediums als nachhaltigen Rohstoff für biotechnologische Prozesse wird
durch enthaltene Toxine erschwert. Die Screens ermitteln genetische Neuvernetzungen
aufgrund von Toxinwirkung und zeigen damit Konzepte zur Hefestamm-Optimierung auf.
Weiterhin führe ich eine Strategie zur Bestimmung der Interaktionspartner von missgefalteten
Proteinen in humanen Zellen ein. Die Interaktoren solcher fehlgefalteten Proteine können
potenzielle Kandidaten mit noch unbekannter Funktionen in der Protein-Qualitätskontrolle
und der Hitzeschockantwort darstellen.
Abschließend präsentiere ich die Entwürfe zweier genetischer Technologien; einem präzisen
CRISPRi System und einem künstlichen Genom-Editierungswerkzeug, um die Grenzen
momentan verwendeter Methoden zu erweitern.
Zusammengefasst liefern die in dieser Doktorarbeit präsentierten Ergebnisse einen wichtigen
Beitrag zum Verständnis der Anpassungsmechanismen eukaryotischer Zellen an Hitze und
Proteinfaltungsstress, demonstrieren den Nutzen von CRISPRi Screens zur Optimierung
nachhaltiger, biotechnologischer Prozesse, und stellen neue Technologien mit potenziellen
Anwendungen in funktioneller Genomforschung und Medizin vor.

                                                                                           ix