S. cerevisiae é um eucarioto unicelular conhecido também como levedura de padeiro (baker’s yeast). Leveduras têm similaridades marcantes com células de mamíferos em níveis de macromoléculas e de organelas. Tem sido mostrado que um grande número de proteínas de leveduras possuem funcionalidade altamente conservada com proteínas homólogas humanas. Assim, é valioso o uso de leveduras como sistema modelo que tem dado uma contribuição relevante para o entendimento de diversos mecanismos moleculares em células humanas. O envolvimento do estresse oxidativo no envelhecimento, apoptose e um número significante de doenças levou à caracterização dos sistemas antioxidantes e à elucidação de seu papel fisiológico. Estudos usando leveduras têm contribuído para elucidar o papel das espécies reativas de oxigênio em doenças relacionadas ao estresse oxidativo, tais como esclerose lateral amiotrófica (ALS) e ataxia de Friedreich (FRDA) (Costa e Moradas-Ferreira, 2001).
A esclerose lateral amiotrófica é uma doença neurodegenerativa caracterizada pela degeneração seletiva dos neurônios motores. Foi verificado que mutações na enzima antioxidante superóxido dismutase contendo cobre e zinco (CuZnSOD) participa no desenvolvimento da esclerose lateral amiotrófica familiar (FALS). A ataxia de Friedreich é uma doença neurodegenerativa hereditária que afeta o sistema nervoso e o coração. É caracterizada pela deposição de ferro, deficiência em enzimas mitocondriais e hipersensibilidade ao estresse oxidativo. Essa doença resulta de uma deficiência em frataxina, uma proteína mitocondrial, codificada no genoma nuclear. Os estudos com o homólogo da frataxina em leveduras (Yfh1p) sugerem que esta proteína é um ligante de ferro que exerce um papel chave na regulação da homeostase de ferro e resistência ao estresse oxidativo. A ruptura do gene YFH1 causa um acúmulo de ferro na mitocôndria, níveis aumentados de EROs e perda da função mitocondrial devido a mutações no DNA mitocondrial (Costa e Moradas-Ferreira, 2001). Isto exemplifica como estudos com leveduras ajudam a desvendar a função de proteínas humanas.
Em leveduras, assim como em bactérias e células de mamiferos, variações nos níveis de oxigênio podem levar a uma resposta celular. Os mecanismos envolvidos na sensibilidade ao oxigênio e sinalização intracelular são melhor elucidados em procariotos. Apesar do entendimento da regulação transcricional dos
genes responsivos ao oxigênio em células eucarióticas ter aumentado nos últimos anos, muitos aspectos necessitam a ser explicados. S. cerevisiae é um sistema
modelo ideal para se responder essas questões. As células da levedura S. cerevisiae são anaeróbicas facultativas, que respiram na presença de oxigênio,
mas fermentam sob condições de anaerobiose. Vários genes são diferencialmente expressos quando as células de leveduras são expostas a diferentes concentrações de oxigênio, permitindo que estas regulem eficientemente o metabolismo celular nas de respiração e fermentação (Zitomer e Lowry, 1992).
Os genes em S. cerevisiae que respondem às mudanças nas tensões de oxigênio são classificados basicamente em duas categorias: genes aeróbicos: genes que são constitutivamente expressos sob condições normais de aeração, mas são reprimidos quando as células são submetidas a baixos níveis de oxigênio. A outra classe são os genes hipóxicos, que são reprimidos sob condições normais de oxigênio e são induzidos sob baixos níveis de oxigênio. Foi mostrado que as expressões de muitas proteínas de S. cerevisiae são afetadas por diferentes níveis de oxigênio. Dentre essas proteínas podemos citar, proteínas envolvidas na cadeia respiratória, na síntese de heme, na captação de esteróis e metabolismo de ácidos graxos insaturados (Burke et al., 1997; Kwast et al., 1999; Alimardani et al., 2004; Vasconcelles et al., 2001; Poyton e Burke, 1992).
ter Linde e colaboradores (1999) descreveram as análises do genoma transcricional de células de S. cerevisiae crescidas em quimiostato em condições aeróbicas e anaeróbicas baseados em resultados de Northern blot. Eles encontraram que 5.739 (93%) das 6.171 ORFs (open reading frames) foram transcritas em níveis detectáveis e similares sob ambas condições. Aproximadamente 4% (219) do total dos genes analisados apresentou um aumento na transcrição em mais de 3 vezes sob condições aeróbicas e aproximadamente 2,5% (140 genes) apresentou um aumento na transcrição em mais de 3 vezes sob condições anaeróbicas, a maioria deles com função desconhecida. Poucos genes apresentaram indução maior que 10 vezes.
Os efeitos do oxigênio nas concentrações intracelulares de muitas proteínas são exercidos através da transcrição de seus respectivos genes. Por exemplo, ANB1 tem sua expressão aumentada em condições anaeróbicas (Zitomer e Lowry, 1992), assim como AAC3 (Sabová et al., 1993), que codifica uma proteína envolvida na expressão do translocador ATP/ADP mitocondrial. HEM13, uma proteína que
participa no metabolismo do heme (Amillet et al., 1996), e OLE1, gene que codifica a enzima Δ9 ácido graxo desaturase (Vasconcelles et al., 2001), importante na síntese de ácido graxos insaturados (ex: ácidos palmitoleico e oléico), também mostram níveis aumentados de expressão sob condições anaeróbicas. Foi descrito que não apenas a hipóxia, mas também o cobalto e o ferro podem levar à expressão de OLE1 em células de leveduras. Um estudo da estrutura do gene OLE1 revelou a presença de um elemento de resposta a baixos níveis de oxigênio (LORE), o qual foi também identificado em outros genes de levedura, tais como ATF1, TRX2, SUT1, TIR1, FTR1, MET22, FKH1 e RPL35A. Usando oligonucleotídeos correspondentes ao motivo LORE e extratos de células de leveduras submetidas a baixas tensões de oxigênio, os autores demonstraram atividade ligante de proteínas endógenas à essas seqüência de DNA. No entanto, através de uma análise de Northern Blot usando RNA de células submetidas a hipóxia, foi verificado apenas a indução significativa dos genes ATF1, TRX2 e SUT1. Os níveis de mRNA do gene RPL35A não mudaram e do gene FTR1 tiveram uma redução (Vasconcelles et al., 2001).
Embora a seqüência do motivo LORE (ACTCAACAA) presente em S. cerevisiae, seja funcionalmente similar ao elemento responsivo à hipóxia-HRE
(BRCGTGVBBB) presente em genes de mamíferos, uma análise dessas seqüências mostrou que não há similaridade significativa entre esses dois motivos (Vasconcelles et al., 2001). Apesar disso e do fato de que leveduras não codificam o HIF-1, não está claro se existe uma proteína funcionalmente homóloga que ative genes hipóxicos de leveduras.
É sabido que a ativação de genes hipóxicos em células de leveduras e de mamíferos ocorrem em diferentes concentrações de oxigênio; 0,2% O2 em leveduras (Kwast et al., 1999; Emerling e Chandel, 2005) e 0,5% a 5% O2 em células de mamíferos (Jiang et al., 1996). Muitos dos genes induzidos em condições de hipóxia e anóxia em células de mamíferos são regulados pelo fator de transcrição HIF-1 e HIF-2, mas ainda não está claro como a hipóxia é detectada por um sensor de oxigênio para ativar genes regulados por HIF-1. A estabilização e ativação do gene HIF-1α começa quando a concentração de oxigênio alcança aproximadamente 5% com aumento da atividade desse fator de transcrição quando os níveis de oxigênio caem ainda mais. Sob hipóxia, vários genes são induzidos, muitos deles participam nas vias de sobrevivência celular e pro-angiogênica as quais capacitam as células a recuperarem os níveis de O2. Diferentemente, S. cerevisiae é um eucarioto
unicelular anaeróbico facultativo, sendo capaz de sobreviver sob total ausência de oxigênio.