Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Kiểm soát chọn lọc quá trình trao đổi chất của các axit amin bởi con đường kinase GCN2 eIF2 trong Saccharomyces cerevisiae
Tóm tắt
Khi các tế bào eukaryote thiếu hụt axit amin, tRNA không mang điện tích tích tụ và kích hoạt protein kinase GCN2 được bảo tồn. Gcn2p được kích hoạt điều chỉnh tăng cường con đường kiểm soát axit amin chung thông qua phosphoryl hóa yếu tố khởi đầu dịch mã eIF2. Trong Saccharomyces cerevisiae, Gcn2p là kinase duy nhất phosphoryl hóa eIF2 để điều chỉnh dịch mã thông qua cơ chế này. Chúng tôi đã nghiên cứu sự thay đổi trong sự tăng trưởng của nấm men và sự gắn kèm axit amin của tRNA trong điều kiện thiếu hụt axit amin có mặt và không có GCN2. Việc gắn kèm tRNA được đo lường bằng kỹ thuật vi mảng, cho phép đo tất cả tRNA trong bào tương đồng thời. Một chủng hoàn toàn prototrophic và chủng đối kháng gcn2 Δ của nó đã được sử dụng để nghiên cứu hiện tượng thiếu hụt cho mỗi 20 axit amin, tập trung vào Trp, Arg, His và Leu, những axit amin có đặc điểm chuyển hóa khác biệt và cung cấp cái nhìn tổng thể tốt về chuyển hóa axit amin. Trong khi chủng hoang dã không có hiện tượng quan sát được nào khi thiếu hụt cho bất kỳ axit amin nào, chủng gcn2 Δ cho thấy sự tăng trưởng chậm trong môi trường không có Trp hoặc Arg. Nhất quán với các kiểu hình tăng trưởng, hồ sơ gắn kèm tRNA trên toàn bộ bộ gen cho thấy sự giảm đáng kể gắn kèm tRNA đối kháng chỉ trong chủng gcn2 Δ khi thiếu hụt Trp hoặc Arg. Ngược lại, không có thay đổi nào trong việc gắn kèm tRNA trong quá trình thiếu hụt His và Leu ở cả chủng hoang dã và chủng gcn2 Δ, nhất quán với hiệu ứng null lên sự tăng trưởng trong điều kiện thiếu hụt các axit amin này. Chúng tôi xác định rằng kiểu hình tăng trưởng của sự thiếu hụt Trp xuất phát từ sự ức chế hồi tiếp của quá trình sinh tổng hợp axit amin thơm. Bằng cách loại bỏ Phe và Tyr khỏi môi trường ngoài Trp, sự phát triển bình thường đã được phục hồi và việc gắn kèm tRNATrp không còn giảm. Kiểu hình tăng trưởng của sự thiếu hụt Arg xuất phát từ chuyển hóa nitơ không cân bằng. Bằng cách bổ sung ornithine trong điều kiện thiếu hụt Arg, sự tăng trưởng và gắn kèm tRNAArg đã được phục hồi một phần. Dưới điều kiện stress nhẹ, hoạt động cơ bản của Gcn2p đủ để cho phép sự điều chỉnh đúng cách khi thiếu hụt axit amin. Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của con đường kinase GCN2 eIF2 trong việc duy trì cân bằng chuyển hóa, góp phần vào việc gắn kèm tRNA và thích nghi tăng trưởng đáp ứng với điều kiện nuôi cấy thiếu hụt các axit amin thiết yếu, tryptophan và arginine.
Từ khóa
#Saccharomyces cerevisiae #GCN2 #eIF2 #tRNA #axit amin #tăng trưởng #chuyển hóa #phosphoryl hóaTài liệu tham khảo
Hinnebusch AG: Translational regulation of GCN4 and the general amino acid control of yeast. Annu Rev Microbiol. 2005, 59: 407-450. 10.1146/annurev.micro.59.031805.133833.
Wek RC, Jiang H-Y, Anthony TG: Coping with stress: eIF2 kinases and translational control. Biochem Soc Trans. 2006, 34: 7-11. 10.1042/BST0340007.
Sonenberg N, Hinnebusch AG: Regulation of translation initiation in eukaryotes: mechanisms and biological targets. Cell. 2009, 136: 731-745. 10.1016/j.cell.2009.01.042.
Harding HP, Zhang Y, Zeng H, Novoa I, Lu PD, Calfon M, Sadri N, Yun C, Popko B, Paules R, Stojdl DF, Bell JC, Hettmann T, Leiden JM, Ron D: An integrated stress response regulates amino acid metabolism and resistance to oxidative stress. Mol Cell. 2003, 11: 619-633. 10.1016/S1097-2765(03)00105-9.
Vattem KM, Wek RC: Reinitiation involving upstream ORFs regulates ATF4 mRNA translation in mammalian cells. Proc Natl Acad Sci USA. 2004, 101: 11269-11274. 10.1073/pnas.0400541101.
Marciniak SJ, Ron D: Endoplasmic reticulum stress signaling in disease. Physiol Rev. 2006, 86: 1133-1149. 10.1152/physrev.00015.2006.
Wek RC, Jackson BM, Hinnebusch AG: Juxtaposition of domains homologous to protein kinases and histidyl-tRNA synthetases in GCN2 protein suggests a mechanism for coupling GCN4 expression to amino acid availability. Proc Natl Acad Sci USA. 1989, 86: 4579-4583. 10.1073/pnas.86.12.4579.
Dong J, Qiu H, Garcia-Barrio M, Anderson J, Hinnebusch AG: Uncharged tRNA Activates GCN2 by Displacing the Protein Kinase Moiety from a Bipartite tRNA-Binding Domain. Molecular Cell. 2000, 6: 269-279. 10.1016/S1097-2765(00)00028-9.
Wek SA, Zhu S, Wek RC: The histidyl-tRNA synthetase-related sequence in the eIF-2 alpha protein kinase GCN2 interacts with tRNA and is required for activation in response to starvation for different amino acids. Mol Cell Biol. 1995, 15: 4497-4506.
Zaborske JM, Narasimhan J, Jiang L, Wek SA, Dittmar KA, Freimoser F, Pan T, Wek RC: Genome-wide analysis of tRNA charging and activation of the eIF2 kinase Gcn2p. J Biol Chem. 2009, 284: 25254-25267. 10.1074/jbc.M109.000877.
Braus GH: Aromatic amino acid biosynthesis in the yeast Saccharomyces cerevisiae: a model system for the regulation of a eukaryotic biosynthetic pathway. Microbiol Rev. 1991, 55: 349-370.
Messenguy F, Dubois E: Regulation of Arginine Metabolism in Saccharomyces cerevisiae: a Network of Specific and Pleiotropic Proteins in Response to Multiple Environmental Signals. Food Technol Biotechnol. 2000, 38: 277-285.
Ramos F, Thuriaux P, Wiame JM, Bechet J: The participation of ornithine and citrulline in the regulation of arginine metabolism in Saccharomyces cerevisiae. Eur J Biochem. 1970, 12: 40-47. 10.1111/j.1432-1033.1970.tb00818.x.
Narasimhan J, Staschke KA, Wek RC: Dimerization is required for activation of eIF2 kinase Gcn2 in response to diverse environmental stress conditions. J Biol Chem. 2004, 279: 22820-22832. 10.1074/jbc.M402228200.
Hinnebusch AG, Fink GR: Positive regulation in the general amino acid control of Saccharomyces cerevisiae. Proc Natl Acad Sci USA. 1983, 80: 5374-5378. 10.1073/pnas.80.17.5374.
Giaever G, Chu AM, Ni L, Connelly C, Riles L, Veronneau S, Dow S, Lucau-Danila A, Anderson K, Andre B, Astromoff A, El-Bakkoury M, Bangham R, Benito R, Brachat S, Campanaro S, Curtiss M, Davis K, Deutschbauer A, Entian KD, Flaherty P, Foury F, Garfinkel DJ, Gerstein M, Gotte D, Güldener U, Hegemann JH, Hempel S, Herman Z, Jaramillo DF: Functional profiling of the Saccharomyces cerevisiae genome. Nature. 2002, 418: 387-391. 10.1038/nature00935.
Niederberger P, Miozzari G, Hutter R: Biological role of the general control of amino acid biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae. Mol Cell Biol. 1981, 1: 584-593.
Dever TE, Yang W, Astrom S, Bystrom AS, Hinnebusch AG: Modulation of tRNA(iMet), eIF-2, and eIF-2B expression shows that GCN4 translation is inversely coupled to the level of eIF-2.GTP.Met-tRNA(iMet) ternary complexes. Mol Cell Biol. 1995, 15: 6351-6363.
Luttik MAH, Vuralhan Z, Suir E, Braus GH, Pronk JT, Daran JM: Alleviation of feedback inhibition in Saccharomyces cerevisiae aromatic amino acid biosynthesis: Quantification of metabolic impact. Metabolic Engineering. 2008, 10: 141-153. 10.1016/j.ymben.2008.02.002.
Harbison CT, Gordon DB, Lee TI, Rinaldi NJ, Macisaac KD, Danford TW, Hannett NM, Tagne J-B, Reynolds DB, Yoo J, Jennings EG, Zeitlinger J, Pokholok DK, Kellis M, Rolfe PA, Takusagawa KT, Lander ES, Gifford DK, Fraenkel E, Young RA: Transcriptional regulatory code of a eukaryotic genome. Nature. 2004, 431: 99-104. 10.1038/nature02800.
Paravicini G, Mosch HU, Schmidheini T, Braus G: The general control activator protein GCN4 is essential for a basal level of ARO3 gene expression in Saccharomyces cerevisiae. 1989, 9: 144-151.
Whitney PA, Morris DR: Polyamine auxotrophs of Saccharomyces cerevisiae. J Bacteriol. 1978, 134: 214-220.
Feller A, Dubois E, Ramos F, Pierard A: Repression of the genes for lysine biosynthesis in Saccharomyces cerevisiae is caused by limitation of Lys14-dependent transcriptional activation. Mol Cell Biol. 1994, 14: 6411-6418.
Thomas D, Surdin-Kerjan Y: Metabolism of sulfur amino acids in Saccharomyces cerevisiae. 1997, 61: 503-532.
Chin CS, Chubukov V, Jolly ER, DeRisi J, Li H: Dynamics and design principles of a basic regulatory architecture controlling metabolic pathways. PLoS Biol. 2008, 6: e146-10.1371/journal.pbio.0060146.
El Alami M, Dubois E, Oudjama Y, Tricot C, Wouters J, Stalon V, Messenguy F: Yeast Epiarginase Regulation, an Enzyme-Enzyme Activity Control. Journal of Biological Chemistry. 2003, 278: 21550-21558. 10.1074/jbc.M300383200.
Chan PY, Cossins EA: Arginine metabolism in Saccharomyces cerevisiae. Some general properties of yeast arginase. 1973, 14: 641-651.
Lanker S, Bushman JL, Hinnebusch AG, Trachsel H, Mueller PP: Autoregulation of the yeast lysyl-tRNA synthetase gene GCD5/KRS1 by translational and transcriptional control mechanisms. Cell. 1992, 70: 647-657. 10.1016/0092-8674(92)90433-D.
Narasimhan J, Staschke KA, Wek RC: Dimerization is required for activation of eIF2 kinase Gcn2 in response to diverse environmental stress conditions. J Biol Chem. 2004, 279: 22820-22832. 10.1074/jbc.M402228200.
Yang R, Wek SA, Wek RC: Glucose limitation induces GCN4 translation by activation of Gcn2 protein kinase. Mol Cell Biol. 2000, 20: 2706-2717. 10.1128/MCB.20.8.2706-2717.2000.
Kaiser C, Michaelis S, Mitchell A: Methods in Yeast Genetics. 1994, Plainview, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press, 207-217.
Zaborske J, Pan T: Genome-wide analysis of aminoacylation (charging) levels of tRNA using microarrays. J Vis Exp. 2010, [http://www.jove.com/index/Details.stp?ID=2007]
Dittmar KA, Goodenbour JM, Pan T: Tissue-Specific Differences in Human Transfer RNA Expression. PLoS Genet. 2006, 2: e221-10.1371/journal.pgen.0020221.
Pavon-Eternod M, Gomes S, Geslain R, Dai Q, Rosner MR, Pan T: tRNA over-expression in breast cancer and functional consequences. Nucleic Acids Res. 2009, 37: 7268-7280. 10.1093/nar/gkp787.