Ciclo cellulare

Metabolismo della natura (2023) Citare questo articolo

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L’omeostasi degli aminoacidi è fondamentale per molti processi cellulari. È ben noto che gli amminoacidi sono compartimentalizzati utilizzando gradienti di pH generati tra gli organelli e il citoplasma; tuttavia, la dinamica di questo partizionamento non è stata esplorata. Qui sviluppiamo un reporter del pH altamente sensibile e scopriamo che il principale compartimento di stoccaggio degli amminoacidi in Saccharomyces cerevisiae, il vacuolo simile al lisosoma, si alcalinizza prima della divisione cellulare e si riacidifica quando le cellule si dividono. Le dinamiche del pH vacuolare richiedono l'assorbimento di aminoacidi extracellulari e l'attività di TORC1, la v-ATPasi e il ciclo del lipide specifico vacuolare fosfatidilinositolo 3,5-bifosfato, che è regolato dalla chinasi ciclina-dipendente Pho85 (CDK5 nei mammiferi) . La regolazione del pH vacuolare consente il sequestro e la mobilitazione degli aminoacidi dall'organello, che è importante per la funzione mitocondriale, l'omeostasi dei ribosomi e il controllo delle dimensioni cellulari. Collettivamente, i nostri dati forniscono un nuovo paradigma per l'uso della compartimentazione dinamica degli aminoacidi dipendente dal pH durante la crescita/divisione cellulare.

Il vacuolo simile al lisosoma del lievito è il principale organello degradativo e un sito di stoccaggio per metaboliti, amminoacidi e ioni essenziali per la forma fisica cellulare durante i periodi di eccesso e scarsità di nutrienti1. La degradazione macromolecolare e l'immagazzinamento dei metaboliti nel lisosoma/vacuolo richiedono il mantenimento di un lume acido rispetto al citosol, che è in gran parte ottenuto dall'ATPasi vacuolare altamente conservata, ATP-dipendente e pompante protoni (v-ATPasi)1. La regolazione dell'attività della v-ATPasi funzionalizza il vacuolo per prendere decisioni proliferative per la cellula. Attraverso una relazione reciproca con il principale regolatore della crescita TORC1, il vacuolo integra diversi segnali metabolici come il flusso glicolitico e la disponibilità di azoto per attivare percorsi cellulari anabolici o catabolici2. Pertanto, la regolazione della v-ATPasi, il pH vacuolare e la segnalazione TORC1 sono funzionalmente intrecciati per leggere vari aspetti del metabolismo cellulare per prendere decisioni di crescita/non crescita.

Un'importante funzione del vacuolo nella regolazione delle decisioni proliferative cellulari deriva dalla sua capacità di immagazzinare aminoacidi. In particolare, il grado di compartimentazione degli amminoacidi vacuolari è molto specifico per particolari classi di amminoacidi. Nel lievito, circa il 90% degli aminoacidi basici intracellulari e il 10% degli aminoacidi acidi sono immagazzinati nel vacuolo, mentre tutte le altre classi di aminoacidi sono solo moderatamente arricchite3.

L'importanza funzionale della compartimentazione discreta degli aminoacidi durante la crescita cellulare in condizioni ricche di nutrienti non è ben compresa; tuttavia, recentemente è stata dimostrata una conseguenza della compartimentalizzazione disregolata. Con l'invecchiamento delle cellule di lievito, il pH vacuolare aumenta e i livelli di cisteina citoplasmatica aumentano, il che influisce sulla funzione mitocondriale alterando la biogenesi del cluster ferro-zolfo e la capacità dell'organello di svolgere attività critiche4,5. Questa comprensione dell’importanza della compartimentazione vacuolare della cisteina dipendente dal pH sulla funzione mitocondriale evidenzia l’interconnettività dell’omeostasi organellare durante l’invecchiamento, ma solleva la questione se esista un ruolo per la compartimentazione di diverse classi di aminoacidi nelle cellule giovani in crescita esponenziale.

Mentre molti dettagli riguardanti la regolazione dell’acidità vacuolare e l’immagazzinamento dei metaboliti sono stati scoperti in condizioni di fattori di stress cellulare come la fame, lo shock osmotico o l’invecchiamento, la dinamica dell’omeostasi del pH vacuolare in condizioni di crescita costante non è stata esplorata a causa della scarsità di strumenti molecolari. . Nello specifico, non è stato possibile osservare la dinamica del pH vacuolare in singole cellule di lievito per lunghi periodi di tempo con elevata risoluzione temporale e sensibilità.

Qui, abbiamo esplorato l’interconnettività della regolazione del pH vacuolare, dell’omeostasi degli aminoacidi cellulari e del ciclo cellulare nel lievito. Abbiamo sviluppato un nuovo reporter fluorescente ottimizzato per il pH più basso del lume del vacuolo e lo abbiamo utilizzato per scoprire una regolazione del pH vacuolare precedentemente non apprezzata legata al ciclo cellulare nelle cellule che crescono in presenza di particolari aminoacidi. Abbiamo identificato diversi percorsi molecolari altamente conservati che regolano queste dinamiche e forniamo prove del ciclo del lipide vacuolare fosfatidilinositolo 3,5-bifosfato (PtdIns(3,5)P2), noto per essere importante nel coordinare l'attività di TORC1 e v- ATPasi. Inoltre, abbiamo dimostrato che questi cambiamenti di pH controllano l'accumulo e il rilascio di aminoacidi nel vacuolo. Il blocco dell’alcalinizzazione dinamica del pH vacuolare in condizioni ricche di nutrienti porta ad una sovraregolazione dei geni biosintetici dell’arginina citoplasmatica e alla concordante sottoregolazione della fosforilazione ossidativa mitocondriale e dei geni ribosomiali. Fenotipicamente, questi portano alla coordinazione disregolata della dimensione alla quale vengono prodotte le cellule figlie e del tempo che trascorrono in G1 prima di impegnarsi in un nuovo ciclo di sintesi del DNA.