酵母のガラクトース代謝遺伝子はガラクトースとグルコースの比率に応答する

自然環境には、しばしば競合する複数のシグナルで満たされています。対照的に、生物学的系は、単一の入力のみが変化し、信号間で重要な相互作用が潜在的に欠落している「よく制御された」環境でしばしば研究されます。グルコースによるガラクトースの異化した抑制は、最も研究された真核生物シグナル統合システムの1つです。このシステムでは、ガラクトース代謝（GAL）遺伝子は、グルコースレベルがしきい値を下回る場合にのみ誘導されると考えられています。対照的に、GAL遺伝子誘導は、広範囲の糖濃度にわたって一定の外部ガラクトース：グルコース比で発生することを示しています。標準的なガラクトース/グルコースシグナル伝達経路の成分を体系的に混乱させ、これらの成分が比率検知を考慮していないことを発見しました。代わりに、比率検知が標準的なシグナル伝達経路の上流で発生し、2つの糖のヘキソース輸送体への競合結合の結果であるという証拠を提供します。古典的なモデルが予想するように動作する変異体（つまり、グルコースのしきい値を超えてガラクトースを使用できない）には、野生型と比較してフィットネスの不利な点があることを示します。多くの一般的な生物学的シグナル伝達モチーフは、通常、反対のシグナル伝達分子間の負の相互作用を通じて、比率検知を引き起こす可能性があります。したがって、この以前は正体不明の栄養センシングパラダイムは一般的であり、生物学で見落とされている可能性があると思います。

Natural environments are filled with multiple, often competing, signals. In contrast, biological systems are often studied in "well-controlled" environments where only a single input is varied, potentially missing important interactions between signals. Catabolite repression of galactose by glucose is one of the best-studied eukaryotic signal integration systems. In this system, it is believed that galactose metabolic (GAL) genes are induced only when glucose levels drop below a threshold. In contrast, we show that GAL gene induction occurs at a constant external galactose:glucose ratio across a wide range of sugar concentrations. We systematically perturbed the components of the canonical galactose/glucose signaling pathways and found that these components do not account for ratio sensing. Instead we provide evidence that ratio sensing occurs upstream of the canonical signaling pathway and results from the competitive binding of the two sugars to hexose transporters. We show that a mutant that behaves as the classical model expects (i.e., cannot use galactose above a glucose threshold) has a fitness disadvantage compared with wild type. A number of common biological signaling motifs can give rise to ratio sensing, typically through negative interactions between opposing signaling molecules. We therefore suspect that this previously unidentified nutrient sensing paradigm may be common and overlooked in biology.