細胞がタンパク質レベルを維持する仕組みを解明(How cells balance their protein levels)

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2025-12-23 スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)

EPFLの研究チームは、細胞内でタンパク質量を安定的に維持する仕組みを明らかにした。すべての細胞はタンパク質を合成し同時に分解・再利用する必要があり、この「生産と除去のバランス」が崩れると機能不全を招く。栄養状態やストレスなどでタンパク質合成の速度が低下しても、細胞は分解速度も同時に低下させる「パッシブ適応(Passive Adaptation)」という仕組みで全体量を一定範囲に保つことがわかった。研究では、時間とともに色が変わる蛍光タンパク質を使い、単一細胞におけるタンパク質の生成と分解を追跡し、数学モデルと比較することでこの調節が働くことを示した。また、マウスの胚性幹細胞では栄養感知経路(mTOR)が活性化され、タンパク質量がほぼ完全に一定に保たれる追加の仕組みも確認された。これらの発見は、栄養変動・発生・ストレス時に細胞がタンパク質バランスを守る方法と、細胞の耐性・タンパク質安定性測定の理解に貢献する。

<関連情報>

中核となる受動的および通性的なmTOR媒介メカニズムは、哺乳類のタンパク質合成と分解を調整する Core passive and facultative mTOR-mediated mechanisms coordinate mammalian protein synthesis and decay

Michael Shoujie Sun ∙ Benjamin Martin ∙ Joanna Dembska ∙ Ekaterina Lyublinskaya ∙ Cédric Deluz ∙ David M. Suter
Cell Systems  Published:December 22, 2025
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cels.2025.101456

Graphical abstract

細胞がタンパク質レベルを維持する仕組みを解明(How cells balance their protein levels)

Highlights

  • Proteome-wide decay rates adapt to global changes in protein synthesis rate
  • A passive mechanism is sufficient to explain this adaptation in most cell types
  • An additional mTOR-driven mechanism allows for near-perfect adaptation in naive ES cells
  • Divergent adaptation of degradation and dilution rates leads to proteome imbalance

Summary

The maintenance of cellular homeostasis requires tight regulation of proteome concentration and composition. To achieve this, protein production and elimination must be robustly coordinated. However, the mechanistic basis of this coordination remains unclear. Here, we address this question using quantitative live-cell imaging, computational modeling, transcriptomics, and proteomics approaches. We found that protein decay rates systematically adapt to global alterations of protein synthesis rates. This adaptation is driven by a core passive mechanism supplemented by facultative changes in mechanistic/mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling. Passive adaptation hinges on changes in the production rate of the machinery governing protein decay and allows for partial maintenance of the cellular proteome. Sustained changes in mTOR signaling provide an additional layer of adaptation unique to naive pluripotent stem cells, allowing for near-perfect maintenance of proteome composition. Our work unravels the mechanisms protecting the integrity of mammalian proteomes upon variations in protein synthesis rates. A record of this paper’s transparent peer review process is included in the supplemental information.

生物化学工学
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