High-resolution genome-wide scan of genes, gene-networks and cellular systems impacting the yeast ionome

Peer reviewedPublisher PD

N-Terminal Extension and C-Terminal Domains Are Required for ABCB6/HMT-1 Protein Interactions, Function in Cadmium Detoxification, and Localization to the Endosomal-Recycling System in Caenorhabditis elegans

The chronic exposure of humans to toxic metals such as cadmium from food and air causes dysfunction of vital organs, neurodegenerative conditions, and cancer. In this regard, members of the ABCB sub-family of the ATP-binding cassette (ABC) transporter superfamily, ABCB6/HMT-1, are acutely required for the detoxification of heavy metals and are present in genomes of many organisms including the nematode worm, Caenorhabditis elegans and humans. We showed previously that C. elegans ABCB6/HMT-1 detoxifies cadmium, copper, and arsenic, and is expressed in liver-like cells, the coelomocytes, head neurons and intestinal cells, which are the cell types that are affected by heavy metal poisoning in humans. The subcellular localization of ABCB6/HMT-1 proteins is unclear. ABCB6/HMT-1 proteins have a distinguishing topology: in addition to one transmembrane domain and one nucleotide-binding domain, they possess a hydrophobic N-terminal extension (NTE) domain encompassing five to six transmembrane spans. The role of the NTE domain in the function of ABCB6/HMT-1 in the native organism remains to be investigated. We used a versatile, multicellular model system, C. elegans, to establish the subcellular localization of ABCB6/HMT-1 and refine its structure-function studies in the native organism. We show that ABCB6/HMT-1 localizes mainly to the apical recycling endosomes and, in part, to early and late endosomes of intestinal cells. We also show that ABCB6/HMT-1 lacking the NTE domain is mistargeted to the plasma membrane and is unable to confer cadmium resistance. Although the NTE domain is essential for ABCB6/HMT-1 interaction with itself, the absence of NTE does not fully prevent this interaction. As a result, ABCB6/HMT-1 lacking the NTE domain, and expressed in wild-type worms or co-expressed with the full-length polypeptide, inactivates and mistargets the full-length ABCB6/HMT-1. We also show that the 43 amino acid residue stretch at the COOH-terminus is required for the ABCB6/HMT-1 interaction with itself and cadmium detoxification function. These results suggest that both NTE and COOH-terminus must be present to allow the protein to interact with itself and confer cadmium resistance. Considering that ABCB6/HMT-1 proteins are highly conserved, this study advances our understanding of how these proteins function in cadmium resistance in different species. Furthermore, these studies uncover the role of the endosomal-recycling system in cadmium detoxification

The N-Terminal Extension Domain of the C. elegans Half-Molecule ABC Transporter, HMT-1, Is Required for Protein-Protein Interactions and Function

and humans. Functional ABC transporters, however, are comprised of at least four-domains (two TMDs and two NDBs) formed from either a single polypeptide or by the association of two or four separate subunits. Whether HMTs act as oligomers and what role the NTE domain plays in their function have not been determined. showed that HMT-1 at a minimum homodimerizes and that oligomerization is essential for HMT-1 to confer cadmium tolerance. We also established that the NTE domain plays an important structural and functional role: it is essential for HMT-1 oligomerization and Cd-detoxification function. However, the NTE itself was not sufficient for oligomerization suggesting that multiple structural features of HMT-1 must associate to form a functional transporter.The prominence of heavy metals as environmental toxins and the remarkable conservation of HMT-1 structural architecture and function in different species reinforce the value of continued studies of HMT-1 in model systems for identifying functional domains in HMT1 of humans

Characterization of the Sesbania rostrata Phytochelatin Synthase Gene: Alternative Splicing and Function of Four Isoforms

Phytochelatins (PCs) play an important role in detoxification of heavy metals in plants. PCs are synthesized from glutathione by phytochelatin synthase (PCS), a dipeptidyltransferase. Sesbania rostrata is a tropical legume plant that can tolerate high concentrations of Cd and Zn. In this study, the S. rostrata PCS gene (SrPCS) and cDNAs were isolated and characterized. Southern blot and sequence analysis revealed that a single copy of the SrPCS gene occurs in the S. rostrata genome, and produces four different SrPCS mRNAs and proteins, SrPCS1–SrPCS4, by alternative splicing of the SrPCS pre-mRNA. The SrPCS1 and SrPCS3 proteins conferred Cd tolerance when expressed in yeast cells, whereas the SrPCS2 and SrPCS4 proteins, which lack the catalytic triad and the N-terminal domains, did not. These results suggested that SrPCS1 and SrPCS3 have potential applications in genetic engineering of plants for enhancing heavy metal tolerance and phytoremediation of contaminated soils

Дистанційне навчання як принцип відкритого заняття

Summary. Distance learning is gaining among technologies based on the principles of open learning. This technology widely uses computer curricula for various purposes and modern telecommunications to communicate directly with a student at a distance. The idea of ​​this technology is the interaction of a teacher and a student in a virtual space: both of them are at their computers or gadgets and communicate via the Internet. Distance learning also plays an exceptional role in the modernization of education. In the conditions that have arisen due to the pandemic, students and academic staff should be sensitive to the need to work in forced remote conditions with a more practical and conscious approach to overcoming the existing digital barriers in the education system.Резюме. Среди технологий, основанных на принципах открытого обучения, больших оборотов набирает дистанционное обучение. Эта технология широко использует компьютерные учебные программы различного назначения и современные телекоммуникации для общения непосредственно со студентом на расстоянии. Идеей этой технологии является взаимодействие преподавателя и студента в виртуальном пространстве: оба они находятся у своих компьютеров или гаджетов и общаются с помощью сети «Интернет». Также в модернизации образования исключительную роль занимает дистанционное обучение. В условиях, возникших из-за пандемии, студенты и научно-педагогические работники должны с пониманием относиться к необходимости работать в вынужденных дистанционных условиях с более практичным и осознанным подходом к преодолению существующих цифровых барьеров в системе образования.Резюме. Серед технологій, що базуються на принципах відкритого навчання, великих обертів набирає дистанційне навчання. Ця технологія широко використовує комп᾽ютерні навчальні програми різного призначення та сучасні телекомунікації для спілкування безпосередньо із студентом на відстані. Ідеєю цієї технології є взаємодія викладача і студента у віртуальному просторі: обидва вони знаходяться біля своїх комп᾽ютерів або гаджетів і спілкуються за допомогою мережі «Інтернет». Також у модернізації освіти виключну роль займає дистанційне навчання. В умовах, що виникли через пандемію, студенти і науково-педагогічні працівники повинні з розумінням ставитися до необхідності працювати у вимушених дистанційних умовах із більш практичним та усвідомленим підходом до подолання існуючих цифрових бар᾽єрів у системі освіти

Инновационный подход к автоматизированной фотоактивации посевных площадей посредством БпЛА с целью стимуляции роста культур

Фотоактивация растений посредством лазерной обработки является перспективным направлением развития современного аграрного производства. Обработка растений излучением с заданными характеристиками стимулирует развитие растений, формирование генеративных признаков и рост урожайности. Для автоматизации процесса фотоактивации больших посевных площадей предложен подход, основанный на использовании специализированной лазерной установки, монтируемой на беспилотный летательный аппарат (БпЛА). При помощи БпЛА можно производить лазерную обработку сельскохозяйственных полей большой площади при минимальных затратах временных и человеческих ресурсов. В работе предложен алгоритм расчета траектории для равномерного покрытия прямоугольного участка земли лазерным излучением с заданными характеристиками. Приводится методика расчета требуемой мощности лазерной установки в зависимости от высоты и времени полета БпЛА. Преимуществом разработанного подхода является его универсальность, поскольку данный подход учитывает характеристики лазерного устройства и может применяться с устройствами различного типа. В зависимости от параметров лазера алгоритм строит такую траекторию для БпЛА, чтобы облучение всходов растений было равномерным на протяжении всего процесса обработки. При проведении полевых экспериментов при движении БпЛА вдоль рассчитанной траектории со скоростью 0,3 м/c время обработки поля длиной в 200 м и шириной 1 м составило 9 мин. Результаты полевых экспериментов показывают, что лазерное облучение для большей части изучаемых культур увеличило урожайность и высоту травостоя (у злаковых – для четырех из шести культур, у бобовых – для четырех из пяти изучаемых культур). Предлагаемый алгоритм построения пути для равномерного лазерного облучения участка учитывает площадь проекции лазерного излучения для обеспечения требуемых характеристик обработки поля

Heuristic Approach to Planning Complex Multi-Stage Production Systems

The paper describes an algorithm for finding a quasi-optimal production plan for complex production systems that involve moving products through a chain of linked processes with varying resource sets. The general problem of optimizing a network of manufacturing enterprises is considered: a set of enterprises producing homogeneous products is modeled during a process consisting of a set of sequential operations arranged in a strict sequence. Standard methods for solving production planning problems are considered. According to the analytical review, most planning tasks in such systems are resolved using original techniques. For this reason, a universal heuristic algorithm was proposed. An algorithm with two branches is also proposed for two cases: for the case of a known constraint in the system and for an alternative case. The algorithm is focused on application in production systems in which the acquisition of empirical data is complicated by the large volume, heterogeneity, and limited reliability of data. In such systems, quasi-optimization in accordance with the proposed algorithm will allow for obtaining a satisfactory result with the permissible and required computing power. The algorithm can be classified as a greedy algorithm. It is partly based on local optimization and performs well for production with a long cycle and a small number of products. For this reason, the approach is recommended for heavy industry, shipbuilding, aircraft manufacturing, and other productions with a long cycle

Особливості ТАРР при рецидивах пахвинної грижі після операції Ліхтенштейна

The aim of the work: to improve treatment outcomes of patients with recurrent inguinal hernia after Liechtenstein surgery. Materials and Methods. The analysis of surgical treatment of 105 patients with recurrent inguinal hernia after the operation of Liechtenstein was performed. All the patients were men. In 31 (29.5 %) relapses occurred in 3 months after primary plastic surgery, in 6 months in 59 (52.3 %), in 12 months in 19 (18%), 26 patients (24.7 %) had concomitant pathology. In group 1 of 52 patients, classical TAPP was performed. Under general anesthesia, carboxyperitoneun was imposed, 3 trocars were installed, the main stage of TAРP, the incision of the parietal peritoneum over the inguinal pits, and then a 10 × 12 cm mesh was inserted preperitoneally, followed by fixation of it to the ligament of Cooper and the abdomen. In group 2 of 53 patients, performed advanced TAРP. The essence of improvement was in additional mobilization of the upper flap of the parietal peritoneum 3–4 cm upper, a wider mesh of 15x15 cm was obtained. Combined fixation of the implant with a gerniostapler and adhesive fixation with glue Sulfacrylate. Results and Discussion. In group 1, 5 patients (9.6 %) had seroma on the side of hernioplasty. At a later date, patients were observed at 6, 24, and 36 months. Thus, 4 (7.7 %) were diagnosed with chronic inguinal pain. Repeat relapse was noted in 5 (9.6 %) patients. In group 2, 6 seromas were observed in 6 (11.3 %) patients, 3 (5.6 %) patients were diagnosed with chronic inguinal pain, recurrence was in 1 (2 %) patient. The use of advanced TAPP in comparison with the classical technique, with recurrence of inguinal hernia after Liechtenstein surgery, by using a larger mesh implant 15x15 cm and its glue fixation on the lower edge, improves the results of treatment, namely, reducing the frequency of 9 % recurrence 2 %.Цель работы: улучшение результатов лечения больных с рецидивом паховых грыж после операции Лихтенштейна. Материалы и методы. Проведен анализ хирургического лечения 65 пациентов с рецидивной паховой грыжей после операции Лихтенштейна. Все больные были мужчины. В 31 (29,5 %) рецидив возник через 3 месяца после первичной пластики, после 6 мес. – у 59 (52,3 %), после 12 – у 19 (18 %), 26 больных (24,7 %) имели сопутствующую патологию. В первой группе 52 пациентам выполнялась классическая ТАРР. Под общим обезболиванием накладывали карбоксиперитонеум, устанавливали 3 троакара, основной этап ТАРР, разрезание париетальной брюшины над паховыми ямками, после чего преперитонеально устанавливалась сетка 10×12 см с последующей фиксацией ее к связке Купера и мышцам брюшной стенки. Во второй группе 53 выполняли усовершенствованную ТАРР. Сущность усовершенствования, дополнительная мобилизация верхнего лоскута париетальной брюшины краниально на 3-4 см, заводилась болем широкая сетка 15×15 см. Комбинированная фиксация имплантата герниостеплером и клеевая фиксация клеем Сульфакрилат. Результаты исследований и их обсуждение. В первой группе у 5 больных (9,6 %) отмечались серомы на стороне герниопластики. В более позднем периоде больные наблюдались в сроках 6, 24 и 36 месяцев. Так у 4 (7,7 %) диагностирована хроническая паховая боль. Повторный рецидив отмечался у 5 (9,6 %). Во второй группе серомы отмечались у 6 (11,3 %) больных, у 3 (5,6 %) больных диагностирована хроническая паховая боль, повторный рецидив у 1 (2 %). Использование усовершенствованной ТАРР по сравнению с классической методикой, при рецидивах паховой грыжи после операции Лихтенштейна за счет использования большего сетчатого имплантата 15×15 см и его клеевая фиксация по нижнему краю способствует улучшению результатов лечения, уменьшению частоты повторного рецидива с 9 до 2 %.Мета роботи: покращення результатів лікування хворих із рецидивом пахвинних гриж після операції Ліхтенштейна. Матеріали і методи. Проведено аналіз хірургічного лікування 105 пацієнтів із рецидивною пахвинною грижею після операції Ліхтенштейна. Всі хворі були чоловіки. У 31 (29,5 %) хворого рецидив виник через 3 місяці після первинної пластики, після 6 міс. – у 59 (52,3 %), після 12 – у 19 (18 %), 26 хворих (24,7 %) мали супутню патологію. В першій групі 52 пацієнтам виконувалось класична ТАРР. Під загальним знеболенням накладали карбоксиперитонеум, встановлювали 3 троакари, основний етап ТАРР, розрізання парієтальної очеревини над пахвинними ямками, після чого преперитонеально встановлювали сітку 10×12 см, з наступною фіксацією її до зв’язки Купера і м’язів черевної стінки. В другій групі – 53 хворі – виконували удосконалену ТАРР. Суть удосконалення – додаткова мобілізація верхнього клаптя парієтальної очеревини краніально на 3-4 см, заводилась ширша сітка 15×15 см. Комбінована фіксація імплантату герніостеплером і клейова фіксація клеєм Сульфакрилат. Результати досліджень та їх обговорення. В першій групі, у 5 хворих (9,6 %), були сероми на стороні герніопластики. В більш пізньому періоді хворі спостерігались у строках 6, 24 та 36 місяців. Так, у 4 (7,7 %) було діагностовано хронічний пахвинний біль. Повторний рецидив спостерігали в 5 (9,6 %). В другій групі сероми – у 6 (11,3 %) хворих, у 3 (5,6 %) хворих діагностований хронічний пахвинний, повторний рецидив 1 (2 %). Використання удосконаленої ТАРР, порівняно з класичною методикою, при рецидивах пахвинної грижі після операції Ліхтенштейна, за рахунок використання більшого сітчастого імплантату 15×15 см та його клейова фіксація по нижньому краю сприяють зменшенню частоти повторного рецидиву з 9 до 2 %. &nbsp

Detoxification of Multiple Heavy Metals by a Half-Molecule ABC Transporter, HMT-1, and Coelomocytes of Caenorhabditis elegans

Developing methods for protecting organisms in metal-polluted environments is contingent upon our understanding of cellular detoxification mechanisms. In this regard, half-molecule ATP-binding cassette (ABC) transporters of the HMT-1 subfamily are required for cadmium (Cd) detoxification. HMTs have conserved structural architecture that distinguishes them from other ABC transporters and allows the identification of homologs in genomes of different species including humans. We recently discovered that HMT-1 from the simple, unicellular organism, Schizosaccharomyces pombe, SpHMT1, acts independently of phytochelatin synthase (PCS) and detoxifies Cd, but not other heavy metals. Whether HMTs from multicellular organisms confer tolerance only to Cd or also to other heavy metals is not known.Using molecular genetics approaches and functional in vivo assays we showed that HMT-1 from a multicellular organism, Caenorhabditis elegans, functions distinctly from its S. pombe counterpart in that in addition to Cd it confers tolerance to arsenic (As) and copper (Cu) while acting independently of pcs-1. Further investigation of hmt-1 and pcs-1 revealed that these genes are expressed in different cell types, supporting the notion that hmt-1 and pcs-1 operate in distinct detoxification pathways. Interestingly, pcs-1 and hmt-1 are co-expressed in highly endocytic C. elegans cells with unknown function, the coelomocytes. By analyzing heavy metal and oxidative stress sensitivities of the coelomocyte-deficient C. elegans strain we discovered that coelomocytes are essential mainly for detoxification of heavy metals, but not of oxidative stress, a by-product of heavy metal toxicity.We established that HMT-1 from the multicellular organism confers tolerance to multiple heavy metals and is expressed in liver-like cells, the coelomocytes, as well as head neurons and intestinal cells, which are cell types that are affected by heavy metal poisoning in humans. We also showed that coelomocytes are involved in detoxification of heavy metals. Therefore, the HMT-1-dependent detoxification pathway and coelomocytes of C. elegans emerge as novel models for studies of heavy metal-promoted diseases

The Arabidopsis thaliana knockout mutant for phytochelatin synthase1 (cad1-3) Is defective in callose deposition, bacterial pathogen defense and auxin content, but shows an increased stem lignification

The enzyme phytochelatin synthase (PCS) has long been studied with regard to its role in metal(loid) detoxification in several organisms, i.e., plants, yeasts, and nematodes. It is in fact widely recognized that PCS detoxifies a number of heavy metals by catalyzing the formation of thiol-rich oligomers, namely phytochelatins, from glutathione and related peptides. However, recent investigations have highlighted other possible roles played by the PCS enzyme in the plant cell, e.g., the control of pathogen-triggered callose deposition. In order to examine novel aspects of Arabidopsis thaliana PCS1 (AtPCS1) functions and to elucidate its possible roles in the secondary metabolism, metabolomic data of A. thaliana wild-type and cad1-3 mutant were compared, the latter lacking AtPCS1. HPLC-ESI-MS analysis showed differences in the relative levels of metabolites from the glucosinolate and phenylpropanoid pathways between cad1-3 and wild-type plants. Specifically, in control (Cd-untreated) plants, higher levels of 4-methoxy-indol 3-ylmethylglucosinolate were found in cad1-3 plants vs. wild-type. Moreover, the cad1-3 mutant showed to be impaired in the deposit of callose after Cd exposure, suggesting that AtPCS1 protects the plant against the toxicity of heavy metals not only by synthesizing PCs, but also by contributing to callose deposition. In line with the contribution of callose in counteracting Cd toxicity, we found that another callose-defective mutant, pen2-1, was more sensitive to high concentrations of Cd than wild-type plants. Moreover, cad1-3 plants were more susceptible than wild-type to the hemibiotrophic bacterial pathogen Pseudomonas syringae. The metabolome also revealed differences in the relative levels of hydroxycinnamic acids and flavonols,with consequences on cell wall properties and auxin content, respectively. First, increased lignification in the cad1-3 stems was found, probably aimed at counteracting the entry of Cd into the inner tissues. Second, in cad1-3 shoots, increased relative levels of kaempferol 3,7 dirhamnoside and quercetin hexoside rhamnoside were detected. These flavonols are endogenous inhibitors of auxin transport in planta; auxin levels in both roots and shoots of the cad1-3 mutant were in fact lower than those of the wild-type. Overall, our data highlight novel aspects of AtPCS1 functions in A. thaliana