Клеточный цикл

Природный метаболизм (2023 г.) Цитировать эту статью

1576 Доступов

17 Альтметрика

Подробности о метриках

Гомеостаз аминокислот имеет решающее значение для многих клеточных процессов. Хорошо известно, что аминокислоты компартментализируются с помощью градиентов pH, генерируемых между органеллами и цитоплазмой; однако динамика этого разделения не исследована. Здесь мы разработали высокочувствительный репортер pH и обнаружили, что основной отсек хранения аминокислот в Saccharomyces cerevisiae, лизосомоподобная вакуоль, подщелачивается перед делением клеток и повторно подкисляется по мере деления клеток. Динамика рН вакуоли требует поглощения внеклеточных аминокислот и активности TORC1, v-АТФазы и круговорота вакуолярного специфического липида фосфатидилинозитол-3,5-бисфосфата, который регулируется циклин-зависимой киназой Pho85 (CDK5 у млекопитающих). . Вакуольная регуляция pH обеспечивает секвестрацию и мобилизацию аминокислот из органеллы, что важно для функции митохондрий, гомеостаза рибосом и контроля размера клеток. В совокупности наши данные представляют новую парадигму использования динамической рН-зависимой компартментализации аминокислот во время роста/деления клеток.

Дрожжевая лизосомоподобная вакуоль является основной деградирующей органеллой и местом хранения метаболитов, аминокислот и ионов, необходимых для клеточной жизнеспособности во времена избытка или нехватки питательных веществ1. Макромолекулярная деградация и хранение метаболитов в лизосоме/вакуоли требуют поддержания кислого просвета по отношению к цитозолю, что в значительной степени достигается за счет высококонсервативной, АТФ-зависимой, перекачивающей протоны вакуольной АТФазы (v-АТФаза)1. Регуляция активности v-АТФазы функционализирует вакуоль, позволяя ей принимать пролиферативные решения для клетки. Благодаря реципрокным отношениям с главным регулятором роста TORC1 вакуоль интегрирует различные метаболические сигналы, такие как гликолитический поток и доступность азота, для запуска анаболических или катаболических клеточных путей2. Таким образом, регуляция v-АТФазы, вакуолярного pH и передача сигналов TORC1 функционально переплетены, чтобы считывать различные аспекты клеточного метаболизма и принимать решения о росте/отсутствии роста.

Важная функция вакуоли в регуляции клеточных пролиферативных решений обусловлена ​​ее способностью хранить аминокислоты. Примечательно, что степень компартментализации аминокислот в вакуолях очень специфична для определенных классов аминокислот. У дрожжей примерно 90% внутриклеточных основных аминокислот и 10% кислых аминокислот хранятся в вакуоли, тогда как все остальные классы аминокислот обогащены лишь умеренно3.

Функциональная важность компартментализации дискретных аминокислот во время роста клеток в условиях с избытком питательных веществ не совсем понятна; однако недавно было показано одно последствие нерегулируемой компартментализации. По мере старения дрожжевых клеток рН вакуолей увеличивается и уровень цитоплазматического цистеина увеличивается, что влияет на функцию митохондрий, изменяя биогенез железо-серных кластеров и способность органелл выполнять критические функции4,5. Это понимание важности вакуольной рН-зависимой компартментализации цистеина для функции митохондрий подчеркивает взаимосвязь органелларного гомеостаза во время старения, но поднимает вопрос, есть ли какая-либо роль в компартментализации различных классов аминокислот в молодых экспоненциально растущих клетках.

Хотя многие детали, касающиеся регуляции вакуолярной кислотности и хранения метаболитов, были обнаружены в условиях стрессовых факторов клеток, таких как голодание, осмотический шок или старение, динамика гомеостаза вакуолярного pH в условиях постоянного роста не была изучена из-за нехватки молекулярных инструментов. . В частности, не удалось наблюдать динамику рН вакуолей в отдельных дрожжевых клетках в течение длительных периодов времени с высоким временным разрешением и чувствительностью.

Здесь мы исследовали взаимосвязь вакуольной регуляции pH, клеточного гомеостаза аминокислот и клеточного цикла у дрожжей. Мы разработали новый флуоресцентный репортер, оптимизированный для более низкого pH просвета вакуоли, и использовали его для открытия ранее недооцененной регуляции вакуольного pH, связанной с клеточным циклом, в клетках, растущих в присутствии определенных аминокислот. Мы идентифицировали несколько высококонсервативных молекулярных путей, регулирующих эту динамику, и предоставили доказательства цикличности вакуолярного липидного фосфатидилинозитол-3,5-бисфосфата (PtdIns(3,5)P2), который, как известно, важен для координации активности TORC1 и v- АТФаза. Кроме того, мы показали, что эти изменения pH контролируют накопление и высвобождение аминокислот в вакуоли. Блокирование динамического подщелачивания вакуолярного рН в условиях с избытком питательных веществ приводит к усилению цитоплазматических генов биосинтеза аргинина и соответствующему подавлению генов митохондриального окислительного фосфорилирования и рибосом. Фенотипически это приводит к нарушению координации размера, при котором производятся дочерние клетки, и времени, которое они проводят в G1, прежде чем перейти к новому раунду синтеза ДНК.