Severe osmotic compression of the yeast Saccharomyces cerevisiae

Cells have developed several signaling pathways and transcriptional regulatory networks to regulate their size and coordinate their growth with the cell division. Importantly, the interior of a cell is naturally packed with macromolecules and is said to be crowded. Macromolecular crowding has been intensely studied in vitro and is known to affect the kinetics of reactions. However, studying the effects of crowding in vivo is more challenging due to the high level of complexity and heterogeneity in the cytoplasm. In this thesis, we address the effects of changing the cellular volume on the kinetics of biochemical reactions in live Saccharomyces cerevisiae cells. We osmotically compressed yeast cells, thus increasing the total macromolecular density and investigated the impact of such crowding on the kinetics of signal transduction. Cell shrinkage is expected to increase the intracellular viscosity and may severely slow down the functioning of signaling pathways and cellular processes. Indeed, by progressively increasing the level of compression, we recorded a progressive slow-down of several, unrelated biological processes until a point for which cell dynamics were arrested. This was observed for the nuclear translocation of several transcription factors (Hog1, Msn2, Crz1, Mig1, and Yap1) as well as for the mobility of the proteins Abp1 and Sec7. We further showed that increasing compression decreases the ability of proteins to diffuse in both yeast and higher eukaryotic cells. We propose that this slowing down upon cellular compression is very general and is reminiscent of a soft colloidal glassy-like transition. Our results suggest the importance for cells to regulate their volume and their cytoplasmic crowding to function properly.Les cellules ont développé plusieurs voies de signalisation et de réponses transcriptionnelles pour réguler leur taille et coordonner leur croissance et leurs divisions cellulaires. L'intérieur des cellules est naturellement surchargé par des macromolécules. Cet encombrement macromoléculaire, appelé crowding, a été intensément étudié in vitro et est connu pour affecter la cinétique des réactions. Cependant, l'étude des effets d'encombrement in vivo est plus difficile en raison du haut niveau de complexité et d'hétérogénéité à l'intérieur d'une cellule. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés aux effets de changement du volume cellulaire sur la cinétique de réactions biochimiques chez la levure Saccharomyces cerevisiae. Pour cela, nous avons induit des stress osmotiques pour comprimer la cellule et étudier l'impact du crowding sur les cinétiques de signalisation. La réduction du volume cellulaire augmente la viscosité interne et peut retarder le fonctionnement de plusieurs voies de signalisation et de processus cellulaires. En augmentant progressivement le niveau de compression, on observe un ralentissement des processus biologiques jusqu'à un point où l'adaptation cellulaire est abolie. Ceci a été observé pour la translocation nucléaire de facteurs de transcription (Hog1, Msn2, Crz1, Mig1 et Yap1) ainsi que pour la mobilité des protéines Abp1 et Sec7. Nous montrons aussi que la compression altère la capacité de plusieurs protéines à diffuser dans le cytoplasme de différents types cellulaires. Nous proposons que ces altérations cinétiques induites par l'augmentation de la viscosité intracellulaire ne soient pas sans rappeler une transition vitreuse. Ces résultats suggèrent l'importance d'un encombrement macromoléculaire optimal permettant aux cellules de fonctionner correctement