A segregação temporal dos processos biossintéticos é responsável pelas oscilações metabólicas durante o ciclo celular da levedura em brotamento

Oct 18, 2023

Nature Metabolism volume 5, páginas 294–313 (2023)Cite este artigo

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Muitos mecanismos biológicos e bioquímicos celulares que controlam o processo fundamental de divisão celular eucariótica foram identificados; no entanto, a dinâmica temporal dos processos biossintéticos durante o ciclo de divisão celular ainda é indefinida. Aqui, mostramos que os principais processos biossintéticos são segregados temporalmente ao longo do ciclo celular. Usando leveduras em desenvolvimento como modelo e métodos unicelulares para medir dinamicamente a atividade metabólica, observamos dois picos na síntese protéica, na fase G1 e S/G2/M, enquanto a síntese de lipídios e polissacarídeos atinge o pico apenas uma vez, durante a fase S/G2. /M fase. Integrando as taxas biossintéticas inferidas em um modelo metabólico termodinâmico-estequiométrico, descobrimos que essa segregação temporal nos processos biossintéticos causa mudanças de fluxo no metabolismo primário, com uma aceleração do fluxo de captação de glicose em G1 e oscilações desfasadas nas trocas de oxigênio e dióxido de carbono. . Através da validação experimental das previsões do modelo, demonstramos que o metabolismo primário oscila com a periodicidade do ciclo celular para satisfazer as demandas variáveis ​​dos processos biossintéticos que exibem dinâmicas inesperadas durante o ciclo celular.

O crescimento e a divisão celular são processos biológicos fundamentais. Embora tenhamos um relato sólido dos mecanismos biológicos e bioquímicos celulares que controlam o ciclo de divisão celular, sabemos muito menos sobre a dinâmica temporal da biossíntese e do metabolismo primário que impulsionam o crescimento celular durante o ciclo celular. Embora se saiba que a biossíntese de DNA é temporalmente limitada dentro da fase S, a dinâmica de outros processos biossintéticos importantes, como a síntese de proteínas e lipídios, permanece obscura; os processos biossintéticos estão constantemente ativos durante todo o ciclo celular? Se as suas atividades mudam, as taxas dos diferentes processos biossintéticos alteram-se da mesma maneira? Esse conhecimento é essencial para descobrir os mecanismos por trás da regulação do crescimento celular, cujos defeitos estão associados a doenças1,2.

Atualmente, considera-se que a síntese protéica aumenta com taxa exponencial ou constante ao longo do ciclo celular da levedura, conforme determinado por estudos em nível populacional com marcação radioativa3,4,5 e análises unicelulares6,7. Recentemente, no entanto, descobrimos que a taxa de produção de proteína fluorescente verde (GFP) controlada pelo promotor endógeno TEF1 atinge o pico em G1 (ref. 8), sugerindo que a atividade biossintética da proteína poderia realmente ser não monotônica durante o ciclo celular. Este achado seria consistente com um pico observado de abundância de proteínas ribossômicas em G1 (ref. 9), embora outros não tenham encontrado tal dinâmica. Da mesma forma, a expressão de genes associados à biogênese e tradução do ribossomo também foi observada com pico em G1 (refs. 10,11); no entanto, estudos de sequenciação de RNA unicelular (RNA-seq) relataram apenas um pequeno aumento de mRNA da proteína ribossômica em G1 (ref. 12) ou nenhuma diferença notável ao longo do ciclo celular . Quanto a outras classes de macromoléculas, como lipídios e ácidos nucleicos, também foi sugerido que sua biossíntese acelera durante certas fases do ciclo celular, de acordo com estudos multiômicos recentes9,10. No entanto, as abundâncias moleculares medidas nestes estudos fornecem apenas evidências indiretas das taxas biossintéticas reais. Assim, a dinâmica temporal das atividades biossintéticas durante o ciclo celular ainda é em grande parte ilusória. Responder a esta questão provavelmente exigirá a medição das taxas de uma forma dinâmica e resolvida ao longo do ciclo celular, o que até agora representa enormes desafios técnicos.

Aqui, usando levedura em desenvolvimento como modelo e empregando microscopia dinâmica de fluorescência unicelular com um novo método de parar e responder, descobrimos que as atividades da biossíntese de proteínas, lipídios e polissacarídeos não são exponenciais nem constantes durante o ciclo celular. Especificamente, descobrimos que a biossíntese de proteínas exibe duas ondas de atividade por ciclo celular, enquanto as atividades da biossíntese de lipídios e polissacarídeos são baixas durante a primeira onda de biossíntese de proteínas em G1, mas altas durante a segunda onda em S/G2/M. Convertemos os padrões descobertos de atividades biossintéticas em unidades absolutas através de um modelo matemático de dinâmica de massa celular, integrando-os em um modelo metabólico termodinâmico-estequiométrico e, assim, inferimos a dinâmica do ciclo celular dos fluxos metabólicos primários. Como pudemos validar experimentalmente as mudanças inferidas no fluxo metabólico, isso forneceu evidências adicionais para os padrões dinâmicos descobertos das atividades biossintéticas e também nos permitiu concluir que a segregação temporal nos processos biossintéticos deve ser responsável pelas oscilações em escala horária no metabolismo primário. . Nosso trabalho mostra que o crescimento celular durante o ciclo celular é um agregado de processos biossintéticos e metabólicos primários segregados temporalmente, o que fornece insights fundamentais sobre os fundamentos da fisiologia celular.