Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS....

33
1 1 2 3 4 5 6 7 Systematic screen of Schizosaccharomyces pombe deletion collection uncovers parallel evolution of the 8 phosphate signal transduction pathway in yeasts 9 10 11 12 Theresa C. Henry, Juliette E. Power, Christine L. Kerwin, Aishat Mohammed, Jonathan S. Weissman $ , 13 Dale M. Cameron # , Dennis D. Wykoff 14 15 16 17 18 19 20 21 Department of Biology, Villanova University, Villanova, PA 19085 22 $ Department of Cellular and Molecular Pharmacology, University of California, San Francisco, San 23 Francisco, CA 94158 24 # Department of Biology, Ursinus College, Collegeville, PA 19426 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 Corresponding author: Dennis D. Wykoff 38 Department of Biology, Villanova University, Villanova, PA 19085 39 800 Lancaster Ave., Villanova, PA 19085, (610)5196386, fax (610)5197863, 40 [email protected] 41 42 Copyright © 2010, American Society for Microbiology and/or the Listed Authors/Institutions. All Rights Reserved. Eukaryotic Cell doi:10.1128/EC.00216-10 EC Accepts, published online ahead of print on 17 December 2010 on May 30, 2020 by guest http://ec.asm.org/ Downloaded from

Transcript of Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS....

Page 1: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

1  

 1  2  3  4  5  6  7 

Systematic screen of Schizosaccharomyces pombe deletion collection uncovers parallel evolution of the 8 phosphate signal transduction pathway in yeasts 9 

 10  11  12 

Theresa C. Henry, Juliette E. Power, Christine L. Kerwin, Aishat Mohammed, Jonathan S. Weissman$, 13 Dale M. Cameron#, Dennis D. Wykoff 14  15  16  17  18  19  20  21 Department of Biology, Villanova University, Villanova, PA 19085 22 $ Department of Cellular and Molecular Pharmacology, University of California, San Francisco, San 23 Francisco, CA 94158 24 # Department of Biology, Ursinus College, Collegeville, PA 19426 25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37 Corresponding author: Dennis D. Wykoff 38 Department of Biology, Villanova University, Villanova, PA 19085 39 800 Lancaster Ave., Villanova, PA 19085, (610)519‐6386, fax (610)519‐7863, 40 [email protected] 41 

42 

Copyright © 2010, American Society for Microbiology and/or the Listed Authors/Institutions. All Rights Reserved.Eukaryotic Cell doi:10.1128/EC.00216-10 EC Accepts, published online ahead of print on 17 December 2010

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 2: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

2  

Abstract 43 

The phosphate signal transduction (PHO) pathway, which regulates genes in response to phosphate 44 

starvation, is well defined in Saccharomyces cerevisiae.  We asked whether the PHO pathway was the 45 

same in the distantly related fission yeast, Schizosaccharomyces pombe.  We screened a deletion 46 

collection for mutants aberrant in phosphatase activity, which is primarily a consequence of pho1+ 47 

transcription.  We identified a novel zinc finger‐containing protein (encoded by spbc27b12.11c+), which 48 

we have named pho7+, that is essential for pho1+ transcriptional induction during phosphate starvation.  49 

Few of the S. cerevisiae genes involved in the PHO pathway appear to be involved in regulation of the 50 

phosphate starvation response in S. pombe.  Only the most upstream genes in the PHO pathway in S. 51 

cerevisiae (ADO1, DDP1, and PPN1) share a similar role in both yeasts.  Because ADO1 and DDP1 52 

regulate ATP and IP7 levels, we hypothesize that the ancestor of these yeasts must have sensed similar 53 

metabolites in response to phosphate starvation but have evolved distinct mechanisms in parallel to 54 

sense these metabolites and induce phosphate starvation genes. 55 

56 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 3: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

3  

Introduction 57 

Cellular homeostasis of inorganic phosphate is required for optimal growth and efficient metabolism.  58 

The response of the model organism Saccharomyces cerevisiae to extracellular phosphate starvation is 59 

well characterized and mediated by the phosphate signal transduction (PHO) pathway (20, 24).  To 60 

determine whether the PHO pathway is conserved in other Ascomycota fungal species, we screened for 61 

PHO pathway mutants in the evolutionarily distantly related Schizosaccharomyces pombe, which last 62 

shared a common ancestor with S. cerevisiae over 1 billion years ago (7). 63 

 64 

The PHO pathway in S. cerevisiae often is defined by the regulation of PHO5, which encodes a phosphate 65 

starvation‐regulated acid phosphatase (17, 20). PHO5 is highly induced during phosphate starvation.  66 

ScPho5 activity is detected using a diazo‐coupling assay with 1‐napthylphosphate (9).  Numerous studies 67 

have determined that PHO5 transcription is regulated by specific transcription factors Pho4 and Pho2, 68 

and by more general chromatin remodeling complexes, such as SWI/SNF, SAGA and INO80 (1, 16, 31).  69 

Pho4 localization and activity is regulated by a cyclin/cyclin‐dependent kinase complex 70 

(Pho81/Pho80/Pho85) (11, 12, 25).  During high extracellular phosphate conditions, the kinase complex 71 

is active and phosphorylates Pho4 leading to nuclear exclusion and little transcription of PHO5 (10, 15).  72 

During low extracellular phosphate conditions, Pho81 inhibits the kinase complex through a non‐73 

covalent interaction with IP7 (inositol heptakisphosphate) (18, 19).  Certain isomers of IP7 increase in 74 

abundance in response to phosphate starvation, although how extracellular phosphate concentration 75 

leads to these increases is unclear.  However, Vip1 is required to phosphorylate IP6 to form 4‐PP‐IP5 or 6‐76 

PP‐IP5 and Ddp1 is required for dephosphorylation back to IP6 (19).  Increases in IP7 during extracellular 77 

phosphate starvation lead to an in vitro loss of the Pho81/Pho80/Pho85 kinase activity through a non‐78 

covalent binding of IP7 to Pho81 (18).  Unphosphorylated Pho4 is nuclear‐localized, interacts with Pho2, 79 

and cooperatively transcribes PHO5 (15).   80 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 4: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

4  

 81 

In S. pombe, pho1+ is an ortholog of PHO5 and levels of pho1+ transcript increase during phosphate 82 

starvation (22, 29, 30).  Based on similarity searches, there are no clear orthologs of PHO4, PHO2, or 83 

PHO81 in S. pombe and the closest homologs of PHO80 and PHO85 in S. pombe appear uninvolved in the 84 

regulation of acid phosphatase activity (32).  Thus, while a similar phosphate starvation response 85 

appears in S. pombe relative to S. cerevisiae where genes that encode structural proteins such as SpPho1 86 

and SpPho84 (encoding a high‐affinity phosphate transporter) are transcriptionally induced during 87 

starvation, it is unclear how the starvation response is regulated.  To gain insight into the regulation of 88 

the PHO pathway in S. pombe, we employed a visual assay of mutants from a S. pombe deletion 89 

collection (26) to identify mutants that inappropriately regulate acid phosphatase activity.  We identified 90 

both uninducible and constitutive mutants, allowing for the description of a genetic pathway regulating 91 

pho1+.  This genetic pathway includes a putative transcription factor, Pho7 as well as the SWI/SNF 92 

chromatin remodeling complex.  We conclude from this genetic screen that there is significant flexibility 93 

in the regulatory pathway used to sense and respond to phosphate starvation in yeasts.  94 

 95 

Methods 96 

Growth conditions and strains.  S. pombe cells were grown in previously described medium ‐ YES or 97 

EMM (5).  S. pombe strains used were: DP1 (972 h‐), DP2 (975 h+), DP3 (ade6‐M216 leu1‐32 ura4‐D18 98 

h+), DP4 (ade6‐M210 his3‐D1 leu1‐32 ura4‐D18 h‐) from the laboratory of D. Moazed (Harvard 99 

University) and TH4 (an EMS mutant of DP1).  DP1 through DP4 are wild‐type strains with regards to 100 

phosphatase expression and TH4 constitutively expresses phosphatase.  The version 2 deletion 101 

collection, purchased from Bioneer (http://pombe.bioneer.co.kr/) was ade6‐M216 leu1‐32 ura4‐D18 h+, 102 

and manipulated in 384 well format with a Singer robot (14).  DP18 (ura4‐D18 h+) was used for plasmid 103 

repair of pho7+ and snf5+ through homologous recombination.  The strain DP55 is pho1ΔKANMX6 ade6‐104 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 5: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

5  

M210 h+.  Screening for uninducible mutants required a modified medium.  This medium is 105 

90%SD/10%EMM no‐phosphate which is 0.7 g YNB no‐phosphate, 3 g EMM no‐phosphate, 4.5 g 106 

(NH4)2SO4, 18 g glucose, 0.25 g SP, and 10 mM KH2PO4 (for high‐phosphate media only) per 1 L water 107 

(Sunrise Science).  90%SD/10%EMM no‐phosphate medium was used for all phosphate starvation 108 

growth conditions.  For solid plates, 2% Bacto‐agar (Difco) was included. 109 

 110 

Visual screen of deletion collection.  A collection of 2813 deletion strains (14, 26) was arrayed in 384 111 

format onto solid medium (YES or 90%SD/10%EMM no‐phosphate) for ~6 hours.  Phosphatase activity 112 

was assayed by 1‐napthylphosphate and FBSB as described previously (13).  Photographs were analyzed 113 

utilizing Adobe Photoshop in grayscale using the control strains to determine the cut‐off.  A list of all 114 

mutant strains that were scored as aberrant in either assay relative to the controls is in Table S1. 115 

 116 

Inactivation of genes in S. pombe.  Deletion of pho1+ (strain DP55) was performed utilizing a fusion PCR 117 

protocol with a KANMX6 marker as the core sequence and primers described in Table S3 (13, 21).  118 

Transformation of S. pombe was with lithium acetate and PEG 8000 (5).  We also deleted pho7+ (strain 119 

DP81), asp1+ (strain DP102 and DP103) and snf5+ (strain DP82) in strain 972 using a similar protocol with 120 

primers in Table S3, and confirmed the phosphatase uninducible phenotype of pho7Δ and snf5Δ 121 

independently. 122 

 123 

Secondary screen for linkage of phenotype to gene deletion.  Primers corresponding to each ORF are 124 

listed in Table S3.  Genomic DNA preparations were a modified phenol/chloroform protocol (13).  To 125 

positively confirm each deletion strain, we required no amplification product to be present when 126 

primers corresponding to the deleted gene were used, but for these primers to amplify product from 127 

other unrelated mutant DNA.  Furthermore, we required that primers not corresponding to the deleted 128 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 6: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

6  

gene would amplify other ORFs, to confirm that the DNA preparation was suitable for PCR.  To confirm 129 

linkage of the mutant phenotype to the KANMX4 insertion, we backcrossed the library strains to DP1 (h‐) 130 

on ME solid medium for 3 days, and subjected the cross to random spore analysis by incubation of cells 131 

with zymolyase overnight (5).  We picked 16 progeny and determined whether the aberrant 132 

phosphatase phenotype was linked to the G‐418 resistant phenotype (KANMX6 confers resistance to G‐133 

418).  This analysis only determines linkage, but this is sufficient to eliminate most phenotypes not 134 

caused by the gene deletion.  In a few cases, we confirmed our results by tetrad analysis. 135 

 136 

p‐nitrophenylphosphatase (PNPP) assay.  Strains were grown in 5mL of YES at 30°C to an OD600 of 0.15 – 137 

0.3 (approximately 5 hours).  Cultures were harvested, washed with 90%SD/10%EMM no phosphate 138 

medium, and resuspended at a low density.  Cultures were grown in triplicate in 90%SD/10%EMM no‐139 

phosphate and high‐phosphate medium for 16 hours at 30°C.  Cells were centrifuged, resuspended in 140 

water, and assayed at pH 4 as described previously (13) for 10 min.  p‐nitrophenyl phosphate hydrolysis 141 

was measured at OD400.  The OD400/OD600 for each reaction was calculated, accounting for dilutions.  142 

Student’s t tests compared mutant strain phosphatase activity to wild‐type and differences were 143 

considered significant when p <0.05. 144 

 145 

Time course of pho1+ and pho84+ expression.  Strains were grown in 90%SD/10%EMM liquid medium at 146 

30˚C until logarithmic growth phase (OD600 of 0.2‐0.5).  Cells were pelleted by centrifugation, washed 147 

three times and transferred to medium lacking phosphate and grown at 30˚C for 4 hrs.  During the 4 hrs, 148 

cells were harvested at one hour time‐points starting immediately after inoculation into medium lacking 149 

phosphate.  Quantitative reverse‐transcription PCR was used to measure the amount of pho84+, pho1+, 150 

and act1+ transcript. 151 

 152 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 7: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

7  

rt‐qPCR.  Mutant strains were grown in 90%SD/10%EMM high phosphate liquid medium to logarithmic 153 

growth phase, washed, inoculated into 90% SD no‐phosphate liquid medium and grown for 4 hours.  For 154 

the analysis of transcript level in high phosphate conditions, cells were harvested immediately from 155 

logarithmically grown cultures.  RNA was purified by an acid phenol protocol (13).  The concentration of 156 

the RNA was quantified spectrophotometrically. One microgram of RNA was reverse transcribed using 157 

an iScript cDNA synthesis kit (Bio‐Rad), along with a no reverse transcriptase control.  The samples were 158 

diluted 1:15.  Transcripts from 3 μl of the diluted reaction were quantified using a Bio‐Rad Chromo‐4 159 

with 50 μl Sybr green I reactions.  The amplification protocol was 40 cycles of 94°C for 30 s, 60°C ‐ 68°C 160 

(depending on primers) for 30 s, 72°C for 45 s, then 79°C for 10 s where a plate read was recorded.  A 161 

melting curve confirmed the purity of the amplification product and levels of transcripts were measured 162 

relative to a standard curve of genomic DNA.  pho1+ and pho84+ transcript amounts were normalized to 163 

act1+ transcript, which we confirmed did not change in abundance during phosphate starvation (data 164 

not shown).  Student’s t tests were performed on each of the strains to compare their pho1+ and pho84+ 165 

transcription levels to those of wild‐type (DP3). 166 

 167 

Epistasis.  We exchanged the marker in the constitutive mutants (from KANMX4 to NATMX6) using a 168 

PCR product (26) and backcrossed these mutants to confirm that only one NATMX6 insertion was 169 

causing the mutant constitutive phenotype.  Backcrossed, constitutive, h‐ mating type strains (ado1∆, 170 

csk1∆, spcc1393.13∆, ppn1∆, and aps1∆) were then crossed on ME solid medium to the uninducible, h+ 171 

strains pho7∆ and snf5∆, and the other uninducible strains (data not shown).  Several G418R and NATR 172 

spores were chosen for each cross and their mating types were checked by PCR.  Additionally, PCR 173 

confirmed that the resultant strains had both genes deleted.  A phosphatase plate assay was used to 174 

identify the phenotype of each double‐mutant strain and at least 2 independent meiotic products with 175 

the same genotype were analyzed to confirm the phenotype.  To generate plasmids for 176 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 8: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

8  

complementation, we utilized homologous recombination with PCR products of pho7+ and snf5+ to 177 

repair a PacI digested pUR18‐YFP plasmid (3).  After repair in a S. pombe ura4‐ strain (DP18), plasmids 178 

were rescued into XL1‐Blue cells and plasmid DNA was transformed into mutant strains. 179 

 180 

Induction of carbon and nitrogen starvation related transcripts.  Strains from the deletion collection 181 

that were mutant in pho7+ and snf5+, as well as wild‐type (DP3), were grown in EMM + 3% glucose 182 

medium and transferred in triplicate to either EMM 0.1% glucose + 3% glycerol for 4 hr, or EMM – 183 

nitrogen for 2 hr.  Cells were harvested and RNA was subjected to rt‐qPCR as previously described.  qPCR 184 

was used to measure transcription of fbp1+,which is induced during the shift from glucose to glycerol, 185 

and isp6+, which is induced during nitrogen starvation.  Both transcripts were normalized to act1+. 186 

 187 

Results 188 

Identification of S. pombe mutants aberrant in phosphatase expression.  Given previous studies of 189 

pho1+ (30), we predicted that Pho1 is an important acid phosphatase induced during phosphate 190 

starvation and that it is detectable with a diazo coupling reaction (25).  We inactivated pho1+ with a 191 

KANMX6 cassette and determined the effect of the deletion with an assay on solid medium (Fig. 1A). 192 

The lack of phosphatase phenotype (white color) was clearest with a modified S. cerevisiae no 193 

phosphate medium (see Materials and Methods), as there are other putative phosphatases in wild‐type 194 

S. pombe (35).  Preliminarily, we screened with a forward genetic approach and identified a few mutants 195 

that aberrantly regulate phosphatase activity (data not shown).  We chose a constitutive mutant (TH4) 196 

that was a consequence of a single locus based on meiotic analysis (data not shown); we used it and a 197 

pho1Δ uninducible strain as controls on either high‐phosphate or low‐phosphate plates (Fig. 1B). 198 

 199 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 9: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

9  

We screened 2813 S. pombe deletion strains in 384‐well format for aberrant phosphatase expression 200 

with the inclusion of controls.  The collection was arrayed on YES (high phosphate) plates and no 201 

phosphate plates and assayed for phosphatase activity using a colorimetric assay (diazo coupling 202 

reaction), then photographed.  This assay was repeated on a duplicate array, and photographs were 203 

scored blindly for aberrant phenotypes.  Approximately 70 strains in total were scored as aberrant in at 204 

least one of the screens (Table S1).  Strains that appeared either constitutive (8 strains) or uninducible 205 

(25 strains) in both screens were chosen for further characterization (Table S2). 206 

 207 

To confirm that the mutant phenotypes resulted from deletion of the predicted gene, we determined 208 

whether the ORF was present or absent by amplifying a 300 bp product near the 3’ end of each ORF.  209 

We expected that if the appropriate gene was deleted, we would be unable to amplify the ORF, but 210 

would be able to amplify other ORFs, indicating that a negative result was not a consequence of poor 211 

DNA quality.  Five of the 33 strains appeared to contain the ORF, suggesting they were not deleted for 212 

the indicated gene; however, it is worth noting that this assay is susceptible to false positives due to 213 

contamination or to partial integration of the KANMX4 cassette.  To determine whether the mutant 214 

phenotype was linked to the KANMX4 insertion, we crossed each mutant to a wild‐type strain (DP1) and 215 

assayed segregation of the mutant phenotype as well as resistance to G‐418.  Nine strains were deleted 216 

for the appropriate gene, but the aberrant phosphatase phenotype was not linked to the deletion.  217 

Through these two analyses, we identified 11 mutants associated with the uninducible phenotype and 5 218 

mutants with the constitutive phenotype (Table 1).  Whereas it appears that there is a high level of false 219 

positives, it should be emphasized that our verification procedure was different from the published 220 

verification of the collection strains, possibly explaining the discrepancy (14). 221 

 222 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 10: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

10  

Because some mutants did not exhibit a strong phenotype in the visual phosphatase assay, we 223 

quantified phosphatase activity utilizing hydrolysis of p‐nitrophenylphosphate with cells grown in high 224 

and low phosphate conditions (9) (Fig. 2).  Based on phosphatase activity, we divided the mutants into 225 

three classes – uninducible, constitutive, and hyper‐inducible.  Fig. 2 only presents mutants that were 226 

statistically different from wild‐type and linked to the deletion, but all of the mutants initially identified 227 

are shown in the supplementary information (Fig. S1). 228 

 229 

Uninducible mutants.  Eleven uninducible mutants were defined as mutants that did not have wild‐type 230 

levels of phosphatase activity during phosphate starvation (based on a Student’s t test).  The uninducible 231 

mutants, in general, fall into 4 classes of genes that when deleted express less phosphatase activity than 232 

wild‐type (see Table 1 for a list of mutants and their putative functions).  Two mutants affect G protein 233 

signaling (pka1+ and gpa2+), two mutants appear to bind RNA (nrp1+ and ctf1+), three mutants may 234 

affect protein secretion (spc2+, vph2+, and rhy2+), and three mutants appear to be involved in signaling 235 

(a pp2A+ subunit, a zinc finger‐containing protein, and snf5+).  One additional mutant is defective in PAPS 236 

reductase (met16+).  A more extensive discussion of how these genes may be involved in signaling 237 

phosphate starvation is below.  Because essential genes are missing from the collection and because we 238 

identified many other mutants that were not linked to a gene deletion, it is likely that other genes 239 

required for the increase in phosphatase activity during phosphate starvation remain to be identified. 240 

 241 

To identify mutants defective in the phosphate starvation response and not just mutants affecting pho1+ 242 

expression and Pho1 secretion, we determined the transcript abundance of other genes during 243 

phosphate starvation, such as pho84+, a putative high‐affinity phosphate transporter that is regulated by 244 

phosphate starvation.  We performed a detailed time‐course of induction to determine the best time to 245 

analyze all of the mutants for defects in transcription of both pho1+ and pho84+ (Fig. 3).  We determined 246 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 11: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

11  

that four hours was an appropriate length of time of phosphate starvation.  We examined expression of 247 

these genes in a wild‐type strain (DP3) as well as in a strain from the deletion collection harboring 248 

deletion of a gene (which we have named pho7+) that we speculated might be important for the 249 

phosphate starvation response.  Whereas the wild‐type strain induced pho1+ and pho84+ ~5 fold over 250 

the period of 4 hours, the pho7Δ strain only minimally induced both transcripts suggesting that pho7+ is 251 

required for the increase in expression of both phosphate starvation‐regulated genes (Fig. 3). 252 

 253 

To determine whether the mutant strains were affected in their ability to induce the transcription of 254 

both pho1+ and pho84+, we grew each mutant strain identified in Table 1 for 4 hours in medium lacking 255 

phosphate and measured the amount of transcript of the two genes using quantitative PCR of reverse 256 

transcribed RNA.  We normalized these transcript levels to act1+.  Most of the mutants did not 257 

significantly differ from wild‐type in levels of either transcript; however, because of error and only a 258 

two‐fold difference in pho84+ induction, some of these mutants may have subtle defects (Fig. 4). 259 

 260 

Five mutants expressed pho1+ at significantly lower levels than wild‐type. Three (spc2Δ , gpa2Δ, and 261 

ryh1Δ) had significant defects in pho1+ expression but no apparent defects in pho84+ expression, 262 

suggesting they may only affect transcription of pho1+.  Interestingly, ryh1+ has been previously 263 

demonstrated to affect the glycosylation of Pho1 during secretion, suggesting there may be a feedback 264 

mechanism regulating pho1+ transcription (6) and perhaps spc2+ is regulating the same process.  265 

Because gpa2+ and pka1+ were identified in our screen and these mutants alter mycelia development 266 

during nitrogen starvation, it is tempting to speculate that the PKA pathway is required for optimal 267 

regulation of multiple starvation pathways (4).  However, components of the PKA pathway, other than 268 

gpa2+ and pka1+, did not appear to have phosphatase phenotypes in our screen. 269 

 270 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 12: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

12  

Importantly, 2 mutants, snf5Δ and pho7Δ (we have named spbc27b12.11c+ pho7+ because of its 271 

apparent role in the PHO pathway) are defective in the induction of both transcripts suggesting a more 272 

general role in regulating transcription of phosphate starvation genes.  Both are likely involved in 273 

transcription as Snf5 is a subunit of the SWI/SNF chromatin remodeling complex (23) and Pho7 contains 274 

a zinc finger domain, which is often associated with transcription.  Furthermore, SWI/SNF appears to be 275 

required for the induction of pho1+ as deletion of snf5+ in a previous study lowered pho1+ expression ~8 276 

fold (23). 277 

 278 

Constitutive mutants.  Four mutants (ado1Δ, spcc1393.13Δ, csk1Δ, and aps1Δ) have statistically 279 

elevated levels of phosphatase activity during high phosphate growth and one mutant has a hyper‐280 

inducible phenotype (ppn1Δ) (Fig. 2).  Levels of pho1+ and pho84+ transcript in high phosphate 281 

conditions were quantified using quantitative PCR to confirm the constitutive phosphatase expression 282 

(Fig. 5).  Interestingly, whereas there is little overlap between the genes identified by the uninducible 283 

screens of S. cerevisiae and S. pombe, the aps1Δ, ado1Δ and ppn1Δ mutants have constitutive or hyper‐284 

inducible phenotypes in both species (9).  The ppn1Δ phenotype observed in Figure 2 is explained if 285 

Ppn1 liberates phosphate from polyphosphate vacuolar stores as it does in S. cerevisiae, leading to a 286 

hyper‐inducible phenotype (33).  In high phosphate conditions, the ppn1Δ expresses phosphatase 287 

activity similar to wild‐type because there is sufficient phosphate to repress the signaling pathway.  288 

However, during starvation, the ppn1Δ strain is unable to access stores of polyphosphate and 289 

consequently starves more quickly than wild‐type; thus this mutant appeared constitutive in the visual 290 

assay because it is more likely to induce phosphatase relative to wild‐type.  Both ADO1 (encoding 291 

adenosine kinase) and DDP1 (encoding an IP7 phosphatase) regulate the PHO pathway relatively 292 

upstream in S. cerevisiae, and these gene products regulate IP7 levels and metabolites related to 293 

adenosine.  Because the constitutive phenotype is common to both species (DDP1 is orthologous to 294 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 13: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

13  

aps1+), it is likely that IP7 levels or adenosine metabolites may regulate the same response in S. pombe.  295 

To test this idea further, we deleted the VIP1 ortholog in S. pombe (asp1+).  We hypothesized that if IP7 296 

levels are critical for signaling phosphate starvation in S. pombe, then inactivation of the IP6 kinase 297 

(asp1+) should cause a defect in phosphatase induction.  We did not observe a defect in phosphatase 298 

induction during phosphate starvation; however, we did detect a defect in the high phosphate levels of 299 

phosphatase (Fig. 6).  Additionally, we examined the strain in the deletion collection and observed a 300 

similar phenotype (data not shown).  Because our screen did not identify strains that were “whiter” in 301 

high phosphate conditions, we did not initially score it as mutant.  These data indicate that IP7 levels are 302 

important for phosphatase expression, but IP7 levels may not be as important as they are in S. 303 

cerevisiae. 304 

 305 

The mutants that constitutively express phosphatase in S. pombe and do not appear to have the same 306 

phenotype in S. cerevisiae provide clues as to how the starvation signal might be processed in S. pombe.  307 

For example, the strong constitutive phenotype of the csk1Δ strain suggests that this kinase may repress 308 

the pathway, possibly by phosphorylating a downstream component of the pathway.  Additionally, the 309 

conserved gene spcc1393.13+ may be involved in repression, although its function is unknown.   310 

 311 

Epistasis.  To determine possible genetic interactions and infer pathway order, we analyzed the 312 

phenotypes of double mutants by crossing constitutive and uninducible mutants to one another.  First, 313 

we exchanged the marker in the constitutive mutant (from KANMX4 to NATMX6), backcrossed these 314 

mutants to confirm that only one NATMX6 insertion was causing the mutant constitutive phenotype, 315 

and isolated the mutant in the opposite mating type (h‐) of the deletion collection.  We initially 316 

performed this analysis with 10 different uninducible mutants and the constitutive or hyper‐inducible 317 

mutants aps1Δ, csk1Δ, spcc1393.13Δ, ppn1Δ, and ado1Δ (data not shown).  Only two uninducible 318 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 14: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

14  

mutants (pho7Δ and snf5Δ) were capable of suppressing the phenotypes of any of the constitutive 319 

mutants; however, all of the uninducible mutants were capable of suppressing the ppn1Δ strain, which 320 

is consistent with the hypothesis that Ppn1 likely plays a role in altering kinetics but not actual signaling 321 

(Fig. 7).  We conclude that Pho7 and Snf5 regulate the transcription of pho1+ and based on these 322 

epistasis experiments, they act down‐stream of all of the gene products mutated in the constitutive 323 

mutants. 324 

 325 

We discovered during the analysis of the snf5Δ strains that an additional locus is important for the 326 

uninducible phenotype of the snf5Δ strain.  We subjected the snf5Δ strain to an extensive backcross 327 

(>200 random spores) and determined that only half of the strains that were G418R had the uninducible 328 

phenotype, but that all of the uninducible mutants were G418R, suggesting that snf5+ is necessary but 329 

not sufficient for the uninducible phenotype.  We analyzed numerous progeny during the epistasis 330 

experiment that were NATR G418R.  When the 4 constitutive mutants were crossed to the snf5Δ strain, 331 

we were able to isolate uninducible double mutants, suggesting that when the uninducible genotype 332 

was combined with the constitutive mutant the uninducible phenotype was epistatic (Fig. 7).  333 

Additionally, when we deleted snf5+ in a wild‐type (DP1) background, there was no obvious phenotype 334 

related to phosphatase activity (data not shown). The additional locus required to observe the 335 

uninducible phenotype is unknown at this time. 336 

 337 

To confirm that pho7+ and snf5+ are critical for the uninducible phenotype, we backcrossed pho7Δ and 338 

snf5Δ mutant strains to a ura4‐ strain and constructed ura4+ plasmids containing genomic copies of 339 

these genes.  We determined that only a pho7+ plasmid complemented the pho7Δ mutant and only a 340 

snf5+ plasmid complemented the snf5Δ mutant (data not shown).  This suggests that the additional locus 341 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 15: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

15  

in the snf5Δ mutant is not pho7+.  These results also further validate that these two genes were properly 342 

identified in the deletion collection. 343 

 344 

Pho7 regulates phosphate starvation genes, but not glucose or nitrogen starvation genes. 345 

To determine whether pho7+ and snf5+ are regulators of multiple environmental stresses, we examined 346 

the expression of genes that are upregulated during nitrogen and carbon starvation (Fig. 8).  If Pho7 is a 347 

phosphate starvation‐regulated transcription factor, then a pho7Δ strain should be unaffected in the 348 

transcription of genes unrelated to phosphate starvation.  We examined the transcription of fbp1+, 349 

which is induced during the shift from glucose to glycerol, and isp6+, which is induced during nitrogen 350 

starvation (8, 28).  Wild‐type and mutant strains, pho7Δ and snf5Δ, induced these transcripts 351 

appropriately, suggesting that the mutants are specific to phosphate starvation. 352 

 353 

Discussion 354 

Utilizing a collection of S. pombe deletion strains, we were able to identify a rudimentary PHO pathway 355 

in an Archiascomycete distantly related to S. cerevisiae, and conclude that there are significant 356 

differences between the two PHO pathways (Fig. 9).  Approximately, 40% of our mutants were false 357 

positives, in that the phenotype did not correlate with the deleted gene, underscoring the need for 358 

secondary validation.  In most cases, the appropriate gene was deleted, but the PHO pathway related 359 

phenotype was not linked to the gene deletion.  Regardless, the deletion collection greatly facilitated 360 

the identification of a novel signal transduction pathway. 361 

 362 

The PHO pathway in S. pombe has novel regulation relative to S. cerevisiae.  Pho7 is a likely transcription 363 

factor that is epistatic to the constitutive mutants, consistent with its role in transcription.  It is 364 

interesting to note that performing a BLAST search with Pho7 uncovers a possible ortholog only in 365 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 16: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

16  

Schizosaccharomyces japonicas (E value 3.8 x ‐14), with other species possessing zinc finger containing 366 

domains, but not obvious orthologs.  This suggests that other yeasts have different transcription factors 367 

that are responsive to phosphate starvation.  This is the third type of transcription factor identified that 368 

regulates phosphate starvation responses, with a basic helix‐loop‐helix factor in many Ascomycetes 369 

typified by ScPho4 (2), a myb‐like factor in plants typified by Psr1 in Arabidopsis thaliana and C. 370 

reinhardtii (27, 34), and now a zinc finger factor in Archiascomycetes.  It seems likely that there is 371 

dramatic flexibility in the acquisition of a phosphate responsive transcription factor in evolution. 372 

 373 

On the other hand, there are common components of the PHO pathway between S. cerevisiae and S. 374 

pombe, and these components either arose through convergent evolution, or they were shared by the 375 

common ancestor of these yeasts.  The conservation of the acid phosphatase and high‐affinity 376 

phosphate transporters in many species, including many non yeast species, suggests that the common 377 

ancestor of many eukaryotes contained these genes.  Furthermore, the similar phenotypes of the aps1Δ, 378 

ado1Δ, and ppn1Δ mutants in both yeasts suggest that IP7, adenosine, and polyphosphate metabolism 379 

influenced the phosphate starvation response in the ancestor.  Finally, mutations in SWI/SNF in both 380 

species affect the transcriptional induction of genes during phosphate starvation, and thus, the 381 

involvement of chromatin remodeling in this pathway may have been an ancestral trait. 382 

 383 

We have determined that there are common components as well as novel components of the PHO 384 

pathway in S. pombe relative to S. cerevisiae.  The putative orthologs of PHO80 and PHO85 in S. pombe 385 

do not have any obvious phenotype in our screen (data not shown) and there is not a PHO4 ortholog.  386 

Thus, S. pombe developed a regulated transcriptional pathway parallel to S. cerevisiae using pho7+ and 387 

other genes.  We postulate that the two yeasts have generated a very similar transcriptional output 388 

through two distinct mechanisms.  While these signaling pathways did not arise through convergent 389 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 17: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

17  

evolution, because some signaling components were shared in the common ancestor, we believe they 390 

represent an example of parallel evolution. 391 

  392 

By beginning to define the PHO pathway in a yeast distantly related to S. cerevisiae, we can speculate an 393 

evolutionary scheme for acquisition of a phosphate starvation response.  It seems likely that the earliest 394 

organisms had systems to acquire low concentrations of inorganic phosphate (high‐affinity phosphate 395 

transporters) and to access organic phosphate sources (phosphatases).  It would be advantageous to 396 

only produce these systems during inorganic phosphate starvation because of energy constraints; 397 

therefore, the ability to sense phosphate starvation and to accumulate these systems would be selected.  398 

Because the two yeasts have the same phenotype in response to deletion of aps1+, yeasts (and possibly 399 

other eukaryotes) may accumulate IP7 in response to phosphate starvation.  Alterations of ATP charge 400 

may impact the levels of IP7, although the mechanism underlying the phenotype of the ado1Δ is still 401 

unclear.  We hypothesize that many different protein based mechanisms to sense IP7 levels arose.  In S. 402 

cerevisiae, Pho81 binds IP7 and eventually regulates the transcription factor Pho4.  In S. pombe, we 403 

postulate that IP7 regulates Pho7 either directly or indirectly, possibly through the Csk1 kinase.  Our 404 

work suggests that the ancestral state of metabolic “by‐products” (in this case IP7) of phosphate 405 

starvation may be present in all unicellular eukaryotes and different early species utilized many different 406 

pathways to sense the metabolic byproduct. 407 

 408 

Acknowledgments 409 

This work was supported by the Department of Biology, the College of Arts and Sciences, and the Center 410 

for Undergraduate Research and Fellowships at Villanova University and by a grant from the National 411 

Science Foundation (RUI‐MCB‐0747799).  Additional support was from the Larry L. Hillblom Foundation 412 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 18: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

18  

(to DMC) and the Howard Hughes Medical Institute (to JSW).  We thank Heather Lander and Eric 413 

Christenson for development of tools used in this study. 414 

   415 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 19: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

19  

Table 1:  List of mutants, their putative functions, their S. cerevisiae homologs. 416  417 

S. pombe Systematic

Name

S. pombe Standard

Name

S. cerevisiae ortholog(s)

S. cerevisiae Standard

Name Product

Uninducible spbc27b12.11c Pho7 none apparent zinc finger domain - transcription factor

* spac2f7.08c Snf5 YBR289W Snf5 SWI/SNF complex subunit Snf5 spbc106.10 Pka1 YJL164C,

YPL203W, YKL166C

Tpk1 cAMP-dependent protein kinase catalytic subunit Pka1

spac1071.04c Spc2 YML055W Spc2 signal peptidase subunit Spc2 * spac13g7.06 Met16 YPR167C Met16 phosphoadenosine phosphosulfate

reductase spac23h3.13c Gpa2 YER020W Gpa2 heterotrimeric G protein alpha-2

subunit Gpa2 spcc757.10 Vph2 YKL119C Vph2 endoplasmic reticulum membrane

protein involved in assembly of the V-ATPase *

spbc3b9.11c Ctf1 YGL044C Rna15 mRNA cleavage and polyadenylation specificity factor complex subunit Ctf1

spac4c5.02c Ryh1 YLR262C Ypt6 GTPase Ryh1 spac4f10.04 YIL153W Rrd1 protein phosphatase type 2A, intrinsic

regulator * spac17h9.04c YDL167C Nrp1 RNA-binding protein

Constitutive spcc338.14 YJR105W Ado1 adenosine kinase * spcc1393.13 YMR027W DUF89 family protein spac1d4.06c Csk1 YKL139W Ctk1 cyclin-dependent kinase activating

kinase Csk1 spbc713.07c YDR452W Ppn1 vacuolar polyphosphatase * spac13g6.14 Aps1 YOR163W Ddp1 diadenosine 5',5'''-p1,p6-hexaphosphate

hydrolase Aps1 * = predicted

418 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 20: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

20  

Figure Legends 419 

Figure 1. Colorimetric plate phosphatase assays.  A. DP4 and DP3 are wild‐type strains; DP55 is a pho1∆ 420 

strain and TH4 is a constitutive mutant.  Dark color indicates phosphatase activity.  B. Photograph of a 421 

phosphatase plate assay demonstrating the range of phenotypes observed on a sample 384 plate.  422 

Coordinates I8 corresponds to the pho1∆ strain in the library.  Coordinates A17 and O3 correspond to 423 

wild‐type, and A20 and O5 to the pho1∆ strain we included as controls.  The strain at E3 is the pho7Δ 424 

strain.  C. Enlarged pictures of mutants.  Mutants are shown in bottom left corner of each tile.  Both 425 

ado1∆ and aps1∆ mutants are darker in color than surrounding colonies on high‐phosphate media, 426 

indicating that they are constitutive mutants, and snf5∆ and pho7∆ are lighter than the surrounding 427 

strains grown on no‐phosphate media, indicating that they are uninducible mutants. 428 

 429 

Figure 2. Histogram of acid‐phosphatase activity.  Mutants’ phosphatase activity was measured using 430 

PNPP as a substrate after 16 hours of growth in high‐ and no‐phosphate conditions.  The strains were 431 

ordered by their phosphatase activity during phosphate starvation from least to most activity.  All tests 432 

were performed in triplicate and the error is SE. Wild‐type (DP3) is shown in yellow. 433 

 434 

Figure 3. Time course of transcript levels of pho1+ and pho84+ in a wild‐type and a pho7∆ strain.  DP3 435 

and the pho7Δ strain were grown as described in the materials and methods.  Error is SE of three 436 

separately grown replicates.  The ratios that were normalized to 100% are: pho1+/act1+ is 1.57 and 437 

pho84+/act1+ is 0.71 under phosphate starvation conditions. 438 

 439 

Figure 4. Induction of pho1+ and pho84+ transcription in mutants.  Transcript levels were measured by 440 

rt‐qPCR in 10 uninducible mutant strains after 4 hours of phosphate starvation. Error is SE of three 441 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 21: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

21  

separately grown replicates.  The wild‐type strain (DP3) was used for normalization and the ratio for 442 

pho1+/act1+ is 1.44 and for pho84+/act1+ is 0.41. 443 

 444 

Figure 5. Levels of pho1+ and pho84+ transcript when grown in high phosphate conditions.  Transcript 445 

levels were measured by rt‐qPCR in constitutive mutant strains and wild‐type after 4 hours growth in 446 

high‐phosphate medium. Error is SE of three separately grown replicates.  The wild‐type strain (DP3) 447 

was used for normalization under high phosphate conditions and the ratio of pho1+/act1+ is 0.33 and 448 

pho84+/act1+ is 0.19. 449 

 450 

Figure 6. asp1+ is required for phosphatase expression in high phosphate conditions.  asp1+ was 451 

deleted with a KANMX6 and with a NATMX6 cassette and deletion was confirmed by PCR.  Two deletion 452 

strains as well as a G‐418R and NATR strain that were wild‐type for asp1+ were replica plated onto high 453 

and no phosphate agar plates and subjected to a phosphatase plate assay.  The lighter color of the 454 

mutant strains in high phosphate medium is reproducible in multiple isolates. 455 

 456 

Figure 7. Epistatic tests. Double mutant strains were arrayed on solid medium with and without 457 

phosphate and subjected to a phosphatase assay.  Asterisks indicate wild‐type strains; both the high and 458 

no phosphate photographs are of identical strains. 459 

 460 

Figure 8. pho7Δ and snf5Δ are not defective in transcriptional induction of carbon and nitrogen 461 

regulated transcripts.  Strains from the deletion collection that were mutant in the two genes and wild‐462 

type (DP3) were grown in EMM + 3% glucose medium and transferred in triplicate to either EMM 0.1% 463 

glucose + 3% glycerol for 4 hr, or EMM – nitrogen for 2 hr.  Cells were harvested and RNA subjected to 464 

rt‐qPCR as previously described. 465 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 22: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

22  

 466 

Figure 9. Model of PHO pathway in two yeast species. See introduction for a discussion of the PHO 467 

pathway in S. cerevisiae.  The proposed PHO pathway in S. pombe shares at least 4 genes in common 468 

with S .cerevisiae and they are indicated by the blue circles.  We hypothesize that IP7 levels increase in 469 

response to phosphate starvation in a manner very similar to S. cerevisiae; these increased levels 470 

activate directly or indirectly the Pho7 protein (yellow circle).  There are other genes involved, but their 471 

predicted role in the pathway is unclear and they are indicated by empty circles.  spcc1393.13+ and csk1+ 472 

must act upstream of the transcription factors based on epistasis experiments, but whether they 473 

regulate IP7 levels is unknown.  Additionally, gpa2+ and pka1+ do not suppress the constitutive 474 

phenotypes so they could be acting separate from the pathway, influencing IP7 levels, or regulating the 475 

activation of Pho7 or Snf5 in a redundant manner, or regulating secretion of Pho1.  The genes in green 476 

circles are hypothesized to be regulating secretion of Pho1. 477 

 478 

Figure S1. Histogram of acid‐phosphatase activity.  Mutants’ phosphatase activity was measured using 479 

PNPP as a substrate after 16 hours of growth in high‐ and no‐phosphate conditions.  The strains were 480 

ordered by their phosphatase activity during phosphate starvation from least to most activity.  All tests 481 

were performed in triplicate and the error is SE. Wild‐type (DP3) is shown in yellow. 482 

 483 

References 484 

1.  Barbaric, S., M. Munsterkotter, C. Goding, and W. Horz. 1998. Cooperative Pho2‐Pho4 485 interactions at the PHO5 promoter are critical for binding of Pho4 to UASp1 and for efficient 486 transactivation by Pho4 at UASp2. Mol Cell Biol 18:2629‐2639. 487 

2.  Barbaric, S., M. Munsterkotter, J. Svaren, and W. Horz. 1996. The homeodomain protein Pho2 488 and the basic‐helix‐loop‐helix protein Pho4 bind DNA cooperatively at the yeast PHO5 promoter. 489 Nucl. Acids Res. 24:4479‐4486. 490 

3.  Barbet, N., W. J. Muriel, and A. M. Carr. 1992. Versatile shuttle vectors and genomic libraries 491 for use with Schizosaccharomyces pombe. Gene 114:59‐66. 492 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 23: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

23  

4.  Dodgson, J., H. Avula, K. L. Hoe, D. U. Kim, H. O. Park, J. Hayles, and J. Armstrong. 2009. 493 Functional genomics of adhesion, invasion, and mycelial formation in Schizosaccharomyces 494 pombe. Eukaryot Cell 8:1298‐1306. 495 

5.  Forsburg, S. L., and N. Rhind. 2006. Basic methods for fission yeast. Yeast 23:173‐183. 496 6.  He, Y., R. Sugiura, Y. Ma, A. Kita, L. Deng, K. Takegawa, K. Matsuoka, H. Shuntoh, and T. Kuno. 497 

2006. Genetic and functional interaction between Ryh1 and Ypt3: two Rab GTPases that 498 function in S. pombe secretory pathway. Genes to Cells 11:207‐221. 499 

7.  Hedges, S. B. 2002. The origin and evolution of model organisms. Nat Rev Genet 3:838‐849. 500 8.  Hoffman, C. S., and F. Winston. 1990. Isolation and characterization of mutants constitutive for 501 

expression of the fbp1 gene of Schizosaccharomyces pombe. Genetics 124:807‐816. 502 9.  Huang, S., and E. K. O'Shea. 2005. A Systematic High‐Throughput Screen of a Yeast Deletion 503 

Collection for Mutants Defective in PHO5 Regulation. Genetics 169:1859‐1871. 504 10.  Jeffery, D. A., M. Springer, D. S. King, and E. K. O'Shea. 2001. Multi‐site phosphorylation of 505 

pho4 by the cyclin‐CDK pho80‐pho85 is semi‐processive with site preference. Journal of 506 Molecular Biology 306:997‐1010. 507 

11.  Kaffman, A., N. M. Rank, E. M. O'Neill, L. S. Huang, and E. K. O'Shea. 1998. The receptor Msn5 508 exports the phosphorylated transcription factor Pho4 out of the nucleus. Nature 396:482‐486. 509 

12.  Kaffman, A., N. M. Rank, and E. K. O'Shea. 1998. Phosphorylation regulates association of the 510 transcription factor Pho4 with its import receptor Pse1/Kap121. Genes Dev. 12:2673‐2683. 511 

13.  Kerwin, C. L., and D. D. Wykoff. 2009. Candida glabrata PHO4 Is Necessary and Sufficient for 512 Pho2‐Independent Transcription of Phosphate Starvation Genes. Genetics 182:471‐479. 513 

14.  Kim, D. U., J. Hayles, D. Kim, V. Wood, H. O. Park, M. Won, H. S. Yoo, T. Duhig, M. Nam, G. 514 Palmer, S. Han, L. Jeffery, S. T. Baek, H. Lee, Y. S. Shim, M. Lee, L. Kim, K. S. Heo, E. J. Noh, A. R. 515 Lee, Y. J. Jang, K. S. Chung, S. J. Choi, J. Y. Park, Y. Park, H. M. Kim, S. K. Park, H. J. Park, E. J. 516 Kang, H. B. Kim, H. S. Kang, H. M. Park, K. Kim, K. Song, K. B. Song, P. Nurse, and K. L. Hoe. 517 2010. Analysis of a genome‐wide set of gene deletions in the fission yeast Schizosaccharomyces 518 pombe. Nat Biotechnol 28:617‐623. 519 

15.  Komeili, A., and E. K. O'Shea. 1999. Roles of Phosphorylation Sites in Regulating Activity of the 520 Transcription Factor Pho4. Science 284:977‐980. 521 

16.  Lam, F. H., D. J. Steger, and E. K. O'Shea. 2008. Chromatin decouples promoter threshold from 522 dynamic range. Nature 453:246‐250. 523 

17.  Lau, W. W., K. R. Schneider, and E. K. O'Shea. 1998. A genetic study of signaling processes for 524 repression of PHO5 transcription in Saccharomyces cerevisiae. Genetics 150:1349‐1359. 525 

18.  Lee, Y. S., K. Huang, F. A. Quiocho, and E. K. O'Shea. 2008. Molecular basis of cyclin‐CDK‐CKI 526 regulation by reversible binding of an inositol pyrophosphate. Nat Chem Biol 4:25‐32. 527 

19.  Lee, Y. S., S. Mulugu, J. D. York, and E. K. O'Shea. 2007. Regulation of a cyclin‐CDK‐CDK inhibitor 528 complex by inositol pyrophosphates. Science 316:109‐112. 529 

20.  Lenburg, M. E., and E. K. O'Shea. 1996. Signaling phosphate starvation. Trends in Biochemical 530 Sciences 21:383‐387. 531 

21.  Longtine, M. S., A. McKenzie, 3rd, D. J. Demarini, N. G. Shah, A. Wach, A. Brachat, P. 532 Philippsen, and J. R. Pringle. 1998. Additional modules for versatile and economical PCR‐based 533 gene deletion and modification in Saccharomyces cerevisiae. Yeast 14:953‐961. 534 

22.  Maundrell, K., P. Nurse, F. Schonholzer, and M. E. Schweingruber. 1985. Cloning and 535 characterization of two genes restoring acid phosphatase activity in pho1‐ mutants of 536 Schizosaccharomyces pombe. Gene 39:223‐230. 537 

23.  Monahan, B. J., J. Villen, S. Marguerat, J. Bahler, S. P. Gygi, and F. Winston. 2008. Fission yeast 538 SWI/SNF and RSC complexes show compositional and functional differences from budding yeast. 539 Nat Struct Mol Biol 15:873‐880. 540 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 24: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

24  

24.  Mouillon, J. M., and B. L. Persson. 2006. New aspects on phosphate sensing and signalling in 541 Saccharomyces cerevisiae. FEMS Yeast Res 6:171‐176. 542 

25.  O'Neill, E. M., A. Kaffman, E. R. Jolly, and E. K. O'Shea. 1996. Regulation of PHO4 nuclear 543 localization by the PHO80‐PHO85 cyclin‐CDK complex. Science 271:209‐212. 544 

26.  Roguev, A., S. Bandyopadhyay, M. Zofall, K. Zhang, T. Fischer, S. R. Collins, H. Qu, M. Shales, H. 545 O. Park, J. Hayles, K. L. Hoe, D. U. Kim, T. Ideker, S. I. Grewal, J. S. Weissman, and N. J. Krogan. 546 2008. Conservation and rewiring of functional modules revealed by an epistasis map in fission 547 yeast. Science 322:405‐410. 548 

27.  Rubio, V., F. Linhares, R. Solano, A. C. Martin, J. Iglesias, A. Leyva, and J. Paz‐Ares. 2001. A 549 conserved MYB transcription factor involved in phosphate starvation signaling both in vascular 550 plants and in unicellular algae. Genes Dev 15:2122‐2133. 551 

28.  Sato, S., H. Suzuki, U. Widyastuti, Y. Hotta, and S. Tabata. 1994. Identification and 552 characterization of genes induced during sexual differentiation in Schizosaccharomyces pombe. 553 Curr Genet 26:31‐37. 554 

29.  Schwaninger, R., E. Dumermuth, and M. E. Schweingruber. 1990. Effects of seven different 555 mutations in the pho1 gene on enzymatic activity, glycosylation and secretion of acid 556 phosphatase in Schizosaccharomyces pombe. Mol Gen Genet 221:403‐410. 557 

30.  Schweingruber, M. E., E. Edenharter, A. Zurlinden, and K. M. Stockmaier. 1992. Regulation of 558 pho1‐encoded acid phosphatase of Schizosaccharomyces pombe by adenine and phosphate. 559 Curr Genet 22:289‐292. 560 

31.  Steger, D. J., E. S. Haswell, A. L. Miller, S. R. Wente, and E. K. O'Shea. 2003. Regulation of 561 chromatin remodeling by inositol polyphosphates. Science 299:114‐116. 562 

32.  Tanaka, K., and H. Okayama. 2000. A pcl‐like cyclin activates the Res2p‐Cdc10p cell cycle "start" 563 transcriptional factor complex in fission yeast. Mol Biol Cell 11:2845‐2862. 564 

33.  Thomas, M. R., and E. K. O'Shea. 2005. An intracellular phosphate buffer filters transient 565 fluctuations in extracellular phosphate levels. Proc Natl Acad Sci U S A 102:9565‐9570. 566 

34.  Wykoff, D. D., A. R. Grossman, D. P. Weeks, H. Usuda, and K. Shimogawara. 1999. Psr1, a 567 nuclear localized protein that regulates phosphorus metabolism in Chlamydomonas. Proc Natl 568 Acad Sci U S A 96:15336‐15341. 569 

35.  Yang, J. W., S. S. Dhamija, and M. E. Schweingruber. 1991. Characterisation of the specific p‐570 nitrophenylphosphatase gene and protein of Schizosaccharomyces pombe. Eur J Biochem 571 198:493‐497. 572 

 573  574 

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 25: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

aps1∆

High Phosphate

No Phosphate

snf5∆ pho7∆

A

B

C

ado1∆

wild

-type

wild

-type

pho1

pho

C

A

P

421

Figure 1

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 26: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

Strain

pho7

snf5∆

pka1

spc2∆

met

16∆

gpa2

vph2

ctf1∆

ryh1

rrd1

nrp1

ado1

spcc

1393

.13∆

wild

-type

csk1∆

ppn1

aps1∆

OD

400/O

D60

0

0

5

10

15

20

25

0

5

10

15

20

25

High phosphate No Phosphate

Figure 2

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 27: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

Time (hours)0 1 2 3 4

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0

20

40

60

80

100

120

140

160pho84 pho1 pho84 pho1

wild-type

pho7∆

Figure 3

% in

duct

ion

rela

tive

to

t = 4

hou

rs

++

++

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 28: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

Strain

pho7

snf5∆

pka1

spc2

spbc

725.

10∆

gpa2

vph2

ctf1∆

ryh1∆

nrp1∆

0

50

100

150

200

250

300pho1 pho84

wild-type

high

pho

spha

te

no p

hosp

hate

0

50

100

150

200

250

300

Figure 4

Tran

scrip

t rel

ativ

e to

wild

-typ

eno

-pho

spha

te (%

)

++

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 29: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

Strain

ado1∆

spcc

1393

.13 ∆

csk1∆

ppn1∆

aps1∆

0

100

200

300

400

500

600

0

100

200

300

400

500

600pho1pho84

wild-typehi

gh p

hosp

hate

no p

hosp

hate

Figure 5

Tran

scrip

t rel

ativ

e to

wild

-typ

ehi

gh-p

hosp

hate

(%)

++

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 30: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

Hig

h ph

osph

ate

No

phos

phat

e

wild-type

asp1∆

wild-type

wild-type

pho7∆

asp1∆

KANMX6

NATMX6

Figure 6

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 31: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

wild-type

mutant alone

ado1∆

csk1∆

spcc1393.13∆

ppn1∆

aps1∆

pho7

snf5∆

HighPhosphate

NoPhosphate

wild-type

mutant alone

ado1∆

csk1∆

spcc1393.13∆

ppn1∆

aps1∆

mut

ant a

lone

*

* * *

Figure 7

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 32: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

wild-type pho7∆ snf5∆

fbp1

+ / a

ct1+

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.300.600.80

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.300.600.80

High glucose No glucose

Strain

wild-type pho7∆ snf5∆

isp6

+ / a

ct1+

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8High nitrogen No nitrogen

Strain

A

B

Figure 8

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from

Page 33: Downloaded from //ec.asm.org/content/eukcell/early/2010/12/17/EC.00216-10.full.… · 82 InS. +pombe ,pho1 isan +ortholog ofPHO5 and levels ofpho1 transcript increase during phosphate

Ppn1

Aps1 Ado1

Pho7Snf5

PHO promoters

[Intracellular Pi ]

[IP7]?Csk1

Duf89

??

[Extracellular Pi ]

Spc2Ryh1

Gpa2??

(processing Pho1)

Ppn1

Aps1 Ado1

Pho4

[Intracellular Pi ][Vacuolar polyP ]

[IP7]

[Extracellular Pi ]

Snf5 Pho2

Pho81

Pho80

81Pho85

PHO promoters

Pka1

??

S. cerevisiae PHO pathway S. pombe PHO pathway

Vph2

??

Figure 9

on May 30, 2020 by guest

http://ec.asm.org/

Dow

nloaded from