Cycle cellulaire

Métabolisme naturel (2023)Citer cet article

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L'homéostasie des acides aminés est essentielle à de nombreux processus cellulaires. Il est bien établi que les acides aminés sont compartimentés à l’aide de gradients de pH générés entre les organites et le cytoplasme ; cependant, la dynamique de ce partitionnement n’a pas été explorée. Ici, nous développons un rapporteur de pH très sensible et constatons que le principal compartiment de stockage des acides aminés chez Saccharomyces cerevisiae, la vacuole de type lysosome, s'alcalinise avant la division cellulaire et se réacidifie à mesure que les cellules se divisent. La dynamique du pH vacuolaire nécessite l'absorption d'acides aminés extracellulaires et l'activité de TORC1, de la v-ATPase et le cycle du lipide vacuolaire spécifique, le phosphatidylinositol 3,5-bisphosphate, qui est régulé par la kinase dépendante de la cycline Pho85 (CDK5 chez les mammifères). . La régulation vacuolaire du pH permet la séquestration et la mobilisation des acides aminés à partir de l'organite, ce qui est important pour la fonction mitochondriale, l'homéostasie des ribosomes et le contrôle de la taille des cellules. Collectivement, nos données fournissent un nouveau paradigme pour l’utilisation de la compartimentation dynamique des acides aminés dépendant du pH pendant la croissance/division cellulaire.

La vacuole de type lysosome de levure est le principal organite de dégradation et un site de stockage de métabolites, d'acides aminés et d'ions essentiels à la forme cellulaire pendant les périodes d'excès et de pénurie de nutriments1. La dégradation macromoléculaire et le stockage des métabolites dans le lysosome/vacuole nécessitent le maintien d'une lumière acide par rapport au cytosol, ce qui est largement réalisé par l'ATPase vacuolaire hautement conservée, dépendante de l'ATP et pompant des protons (v-ATPase)1. La régulation de l'activité de la v-ATPase fonctionnalise la vacuole pour prendre des décisions prolifératives pour la cellule. Grâce à une relation réciproque avec le régulateur de croissance principal TORC1, la vacuole intègre divers signaux métaboliques tels que le flux glycolytique et la disponibilité de l'azote pour mettre en œuvre des voies cellulaires anabolisantes ou cataboliques2. Ainsi, la régulation de la v-ATPase, le pH vacuolaire et la signalisation TORC1 sont fonctionnellement liés pour lire divers aspects du métabolisme cellulaire afin de prendre des décisions de croissance/non croissance.

Une fonction importante de la vacuole dans la régulation des décisions de prolifération cellulaire réside dans sa capacité à stocker les acides aminés. Notamment, le degré de compartimentation vacuolaire des acides aminés est très spécifique à des classes particulières d’acides aminés. Chez la levure, environ 90 % des acides aminés basiques intracellulaires et 10 % des acides aminés acides sont stockés dans la vacuole, alors que toutes les autres classes d'acides aminés ne sont que modérément enrichies3.

L’importance fonctionnelle de la compartimentation discrète des acides aminés au cours de la croissance cellulaire dans des conditions riches en nutriments n’est pas bien comprise ; cependant, une conséquence d’une compartimentation dérégulée a été récemment mise en évidence. À mesure que les cellules de levure vieillissent, le pH vacuolaire augmente et les niveaux de cystéine cytoplasmique augmentent, ce qui a un impact sur la fonction mitochondriale en modifiant la biogenèse des amas fer-soufre et la capacité de l'organite à mener des activités critiques4,5. Cet aperçu de l'importance de la compartimentation vacuolaire de la cystéine dépendante du pH sur la fonction mitochondriale met en évidence l'interconnectivité de l'homéostasie organellaire au cours du vieillissement, mais soulève la question de savoir si la compartimentation de différentes classes d'acides aminés dans les jeunes cellules à croissance exponentielle a un rôle à jouer.

Bien que de nombreux détails concernant la régulation de l'acidité vacuolaire et le stockage des métabolites aient été découverts dans des conditions de facteurs de stress cellulaires tels que la famine, le choc osmotique ou le vieillissement, la dynamique de l'homéostasie du pH vacuolaire dans des conditions de croissance constantes n'a pas été explorée en raison du manque d'outils moléculaires. . Plus précisément, il n’a pas été possible d’observer la dynamique du pH vacuolaire dans des cellules de levure uniques sur de longues périodes avec une résolution temporelle et une sensibilité élevées.

Ici, nous avons exploré l’interconnectivité de la régulation vacuolaire du pH, de l’homéostasie cellulaire des acides aminés et du cycle cellulaire chez la levure. Nous avons développé un nouveau rapporteur fluorescent optimisé pour le pH inférieur de la lumière de la vacuole et l'avons utilisé pour découvrir une régulation du pH vacuolaire, liée au cycle cellulaire, jusqu'alors méconnue, dans les cellules se développant en présence d'acides aminés particuliers. Nous avons identifié plusieurs voies moléculaires hautement conservées régulant cette dynamique et fournissons des preuves du cycle du lipide vacuolaire phosphatidylinositol 3,5-bisphosphate (PtdIns(3,5)P2), connu pour son rôle important dans la coordination de l'activité de TORC1 et du v- ATPase. De plus, nous avons montré que ces changements de pH contrôlent l’accumulation et la libération d’acides aminés dans la vacuole. Le blocage de l'alcalinisation dynamique du pH vacuolaire dans des conditions riches en nutriments conduit à une régulation positive des gènes biosynthétiques de l'arginine cytoplasmique et à une régulation négative concordante de la phosphorylation oxydative mitochondriale et des gènes des ribosomes. Phénotypiquement, ceux-ci conduisent à une coordination dérégulée de la taille à laquelle les cellules filles sont produites et du temps qu'elles passent en G1 avant de s'engager dans un nouveau cycle de synthèse d'ADN.