Ciclo de célula

Nature Metabolism (2023)Cite este artigo

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A homeostase dos aminoácidos é crítica para muitos processos celulares. Está bem estabelecido que os aminoácidos são compartimentados utilizando gradientes de pH gerados entre organelas e o citoplasma; no entanto, a dinâmica desta partição não foi explorada. Aqui desenvolvemos um repórter de pH altamente sensível e descobrimos que o principal compartimento de armazenamento de aminoácidos em Saccharomyces cerevisiae, o vacúolo semelhante ao lisossomo, alcaliniza antes da divisão celular e reacidifica à medida que as células se dividem. A dinâmica do pH vacuolar requer a captação de aminoácidos extracelulares e a atividade de TORC1, a v-ATPase e a ciclagem do lipídeo vacuolar específico fosfatidilinositol 3,5-bifosfato, que é regulado pela quinase dependente de ciclina Pho85 (CDK5 em mamíferos) . A regulação vacuolar do pH permite o sequestro e mobilização de aminoácidos da organela, o que é importante para a função mitocondrial, a homeostase do ribossomo e o controle do tamanho celular. Coletivamente, nossos dados fornecem um novo paradigma para o uso da compartimentalização dinâmica de aminoácidos dependente do pH durante o crescimento/divisão celular.

O vacúolo semelhante ao lisossomo da levedura é a principal organela degradativa e um local de armazenamento de metabólitos, aminoácidos e íons essenciais para a aptidão celular durante períodos de excesso e escassez de nutrientes1. A degradação macromolecular e o armazenamento de metabólitos no lisossoma / vacúolo requerem a manutenção de um lúmen ácido em relação ao citosol, o que é amplamente alcançado pela ATPase vacuolar (v-ATPase) altamente conservada, dependente de ATP e bombeadora de prótons. A regulação da atividade da v-ATPase funcionaliza o vacúolo para tomar decisões proliferativas para a célula. Através de uma relação recíproca com o regulador mestre de crescimento TORC1, o vacúolo integra diversos sinais metabólicos, como o fluxo glicolítico e a disponibilidade de nitrogênio, para ativar vias celulares anabólicas ou catabólicas2. Assim, a regulação da v-ATPase, o pH vacuolar e a sinalização TORC1 estão funcionalmente interligados para ler vários aspectos do metabolismo celular para tomar decisões de crescimento/não crescimento.

Uma função importante do vacúolo na regulação das decisões proliferativas celulares ocorre pela sua capacidade de armazenar aminoácidos. Notavelmente, o grau de compartimentalização vacuolar dos aminoácidos é muito específico para classes particulares de aminoácidos. Na levedura, aproximadamente 90% dos aminoácidos básicos intracelulares e 10% dos aminoácidos ácidos são armazenados no vacúolo, enquanto todas as outras classes de aminoácidos são apenas moderadamente enriquecidas3.

A importância funcional da compartimentação discreta de aminoácidos durante o crescimento celular em condições repletas de nutrientes não é bem compreendida; no entanto, uma consequência da compartimentalização desregulada foi recentemente demonstrada. À medida que as células de levedura envelhecem, o pH vacuolar aumenta e os níveis de cisteína citoplasmática aumentam, o que afeta a função mitocondrial ao alterar a biogênese do aglomerado de ferro-enxofre e a capacidade da organela de realizar atividades críticas . Esta visão sobre a importância da compartimentação vacuolar da cisteína dependente do pH na função mitocondrial destaca a interconectividade da homeostase organelar durante o envelhecimento, mas levanta a questão se existe algum papel para a compartimentalização de diferentes classes de aminoácidos em células jovens em crescimento exponencial.

Embora muitos detalhes sobre a regulação da acidez vacuolar e armazenamento de metabólitos tenham sido descobertos sob condições de estresse celular, como fome, choque osmótico ou envelhecimento, a dinâmica da homeostase do pH vacuolar sob condições de crescimento constante não foi explorada devido à escassez de ferramentas moleculares . Especificamente, não foi possível observar a dinâmica do pH vacuolar em células de levedura individuais durante longos períodos de tempo com alta resolução temporal e sensibilidade.

Aqui, exploramos a interconectividade da regulação do pH vacuolar, da homeostase de aminoácidos celulares e do ciclo celular em leveduras. Desenvolvemos um novo repórter fluorescente otimizado para o pH mais baixo do lúmen do vacúolo e o usamos para descobrir uma regulação do pH vacuolar ligada ao ciclo celular, anteriormente não apreciada, em células que crescem na presença de aminoácidos específicos. Identificamos várias vias moleculares altamente conservadas que regulam essas dinâmicas e fornecemos evidências para a ciclagem do lipídeo vacuolar fosfatidilinositol 3,5-bifosfato (PtdIns(3,5)P2), conhecido por ser importante na coordenação da atividade de TORC1 e do v- ATPase. Além disso, mostramos que essas mudanças de pH controlam o acúmulo e a liberação de aminoácidos no vacúolo. O bloqueio da alcalinização dinâmica do pH vacuolar em condições repletas de nutrientes leva a uma regulação positiva dos genes biossintéticos da arginina citoplasmática e à regulação negativa concordante da fosforilação oxidativa mitocondrial e dos genes do ribossomo. Fenotipicamente, estes levam à coordenação desregulada do tamanho em que as células-filhas são produzidas e do tempo que passam em G1 antes de se comprometerem com uma nova rodada de síntese de DNA.