細胞周期

Nature Metabolism (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

アミノ酸の恒常性は、多くの細胞プロセスにとって重要です。 アミノ酸は、細胞小器官と細胞質の間に生成される pH 勾配を使用して区画化されることが十分に確立されています。 ただし、この分割のダイナミクスは調査されていません。 今回我々は、高感度のpHレポーターを開発し、出芽酵母の主要なアミノ酸貯蔵区画であるリソソーム様液胞が、細胞分裂前にアルカリ化し、細胞分裂とともに再酸性化することを発見した。 液胞のpH動態には、細胞外アミノ酸の取り込みとTORC1、v-ATPaseの活性、およびサイクリン依存性キナーゼPho85（哺乳類ではCDK5）によって調節される液胞特異的脂質ホスファチジルイノシトール3,5-二リン酸の​​サイクリングが必要です。 。 液胞の pH 調節により、細胞小器官からのアミノ酸の隔離と動員が可能になります。これは、ミトコンドリアの機能、リボソームの恒常性、細胞サイズの制御にとって重要です。 まとめると、我々のデータは、細胞の増殖/分裂中に動的な pH 依存性のアミノ酸区画化を使用するための新しいパラダイムを提供します。

酵母菌のリソソーム様空胞は、主要な分解性細胞小器官であり、栄養素が過剰または不足しているときの細胞のフィットネスに不可欠な代謝産物、アミノ酸、イオンの貯蔵場所です1。 リソソーム/液胞における高分子の分解と代謝物の貯蔵には、サイトゾルと比較して酸性の内腔の維持が必要ですが、これは主に、高度に保存された ATP 依存性のプロトンポンピング液胞 ATPase (v-ATPase) によって実現されます 1。 v-ATPase 活性の制御により、液胞が機能化され、細胞の増殖に関する決定が行われます。 マスター成長制御因子TORC1との相互関係を通じて、液胞は解糖フラックスや窒素利用可能性などの多様な代謝合図を統合し、同化または異化の細胞経路を実行します2。 したがって、v-ATPase、液胞 pH、TORC1 シグナル伝達の制御は機能的に絡み合って、細胞代謝のさまざまな側面を読み取って成長/非成長を決定します。

細胞増殖の決定を調節する際の液胞の重要な機能は、アミノ酸を貯蔵するその能力によってもたらされます。 注目すべきことに、空胞アミノ酸の区画化の程度は、特定のクラスのアミノ酸に非常に特異的である。 酵母では、細胞内の塩基性アミノ酸の約 90% と酸性アミノ酸の 10% が液胞に保存されていますが、他のすべてのクラスのアミノ酸は中程度しか濃縮されていません 3。

栄養が豊富な条件下での細胞増殖中の個別のアミノ酸の区画化の機能的重要性は十分に理解されていません。 しかし、最近、制御不能な区画化の結果の 1 つが明らかになりました。 酵母細胞が老化すると、液胞の pH が上昇し、細胞質のシステイン レベルが増加します。これは、鉄硫黄クラスターの生合成と重要な活動を実行する細胞小器官の能力を変化させることにより、ミトコンドリアの機能に影響を与えます 4,5。 ミトコンドリア機能における液胞のpH依存性システインの区画化の重要性についてのこの洞察は、老化中の細胞小器官の恒常性の相互接続性を強調するが、指数関数的に成長する若い細胞における異なるクラスのアミノ酸の区画化に何らかの役割があるかどうかという疑問を提起する。

飢餓、浸透圧ショック、老化などの細胞ストレス条件下では、液胞の酸性度と代謝産物の貯蔵の制御に関する多くの詳細が発見されているが、一定の増殖条件下での液胞のpH恒常性の動態は、分子ツールが不足しているため調査されていない。 。 具体的には、単一酵母細胞の液胞 pH 動態を高い時間分解能と感度で長期間にわたって観察することは不可能でした。

ここでは、酵母における液胞の pH 調節、細胞のアミノ酸恒常性、細胞周期の相互接続性を調査しました。 私たちは、液胞内腔のより低い pH に最適化された新しい蛍光レポーターを開発し、それを使用して、特定のアミノ酸の存在下で増殖する細胞におけるこれまで評価されていなかった細胞周期に関連した液胞 pH 制御を発見しました。 我々は、これらの動態を調節する高度に保存された分子経路をいくつか特定し、TORC1 と v- ATPアーゼ。 さらに、これらの pH 変化が液胞内でのアミノ酸の蓄積と液胞からの放出を制御していることを示しました。 栄養が豊富な条件下で動的な空胞のpHアルカリ化を阻止すると、細胞質のアルギニン生合成遺伝子が上方制御され、ミトコンドリアの酸化的リン酸化およびリボソーム遺伝子が一致して下方制御されます。 表現型的には、これらは、娘細胞が生成されるサイズと、新しいラウンドの DNA 合成に着手する前に娘細胞が G1 で過ごす時間の調整異常を引き起こします。