Coordination of bacterial proteome with metabolism by cyclic AMP signalling

分解代谢抑制 分解代谢 合成代谢 信号 生物 心理压抑 基因 蛋白质组 细胞生物学 新陈代谢 基因表达 生物化学 细胞生理学 功能(生物学) 核糖体蛋白 细胞 核糖体 核糖核酸 突变体
作者
Chenjiang You,Hiroyuki Okano,Sheng Hui,Zhongge Zhang,Minsu Kim,Carl W. Gunderson,Yi‐Ping Wang,Peter Lenz,Dalai Yan,Terence Hwa
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:500 (7462): 301-306 被引量:390
标识
DOI:10.1038/nature12446
摘要

The cyclic AMP (cAMP)-dependent catabolite repression effect in Escherichia coli is among the most intensely studied regulatory processes in biology. However, the physiological function(s) of cAMP signalling and its molecular triggers remain elusive. Here we use a quantitative physiological approach to show that cAMP signalling tightly coordinates the expression of catabolic proteins with biosynthetic and ribosomal proteins, in accordance with the cellular metabolic needs during exponential growth. The expression of carbon catabolic genes increased linearly with decreasing growth rates upon limitation of carbon influx, but decreased linearly with decreasing growth rate upon limitation of nitrogen or sulphur influx. In contrast, the expression of biosynthetic genes showed the opposite linear growth-rate dependence as the catabolic genes. A coarse-grained mathematical model provides a quantitative framework for understanding and predicting gene expression responses to catabolic and anabolic limitations. A scheme of integral feedback control featuring the inhibition of cAMP signalling by metabolic precursors is proposed and validated. These results reveal a key physiological role of cAMP-dependent catabolite repression: to ensure that proteomic resources are spent on distinct metabolic sectors as needed in different nutrient environments. Our findings underscore the power of quantitative physiology in unravelling the underlying functions of complex molecular signalling networks.
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