栄養センシング

栄養素感知とは、細胞がグルコースなどの燃料基質を認識して反応する能力である。細胞が使用する燃料の種類ごとに、代替の利用経路と、酵素や補因子などの補助分子が必要である。資源を節約するために、細胞はその時点で必要な分子のみを生成する。細胞が利用できる燃料のレベルと種類によって、利用するためにゲノムから発現させる必要のある酵素の種類が決まる。特定の燃料分子の存在下で活性化するように設計された細胞膜表面の受容体は、カスケード相互作用によって細胞核と通信する。栄養素受容体は主に栄養素感知の機能を果たすように設計された受容体であるが、他の受容体（インスリン受容体、レプチン受容体など）は広範囲に多機能であり、栄養素感知以外にも多くの機能を果たす。^[1]このようにして、細胞は利用可能な栄養素を認識し、その栄養素の種類に特有の分子のみを生成できる。

栄養レベルの乱れに対する迅速かつ効率的な対応は、細菌から人間に至るまでの生物の生存にとって極めて重要です。そのため、細胞は栄養濃度を感知し、遺伝子発現とタンパク質修飾を迅速に制御してあらゆる変化に対応できる分子経路を多数進化させてきました。^[2]

細胞の成長は、細胞外栄養素と細胞内代謝物濃度の調整によって制御されます。AMP活性化キナーゼ (AMPK)と哺乳類ラパマイシン標的複合体 1 は、それぞれ細胞のエネルギーと栄養素のレベルを感知する重要な分子として機能します。

• 栄養素、代謝物、遺伝子発現、タンパク質修飾の相互作用は、細胞外および細胞内の条件と細胞の成長の調整に関与しています。^[3]

生体細胞はATPを最も重要な直接エネルギー源として利用します。ATPからADPとリン酸（またはAMPとピロリン酸）への加水分解は、ほとんどの生物学的プロセスのエネルギーを供給します。ATPとADPおよびAMPの比率は細胞のエネルギー状態のバロメーターであり、細胞によって厳密に監視されています。真核細胞では、AMPKは重要な細胞エネルギーセンサーとして機能し、エネルギー恒常性を維持するための代謝のマスターレギュレーターとして機能します。^[4]

栄養素の感知とシグナル伝達は、がんにおけるエピジェネティック機構の重要な調節因子です。グルコース不足の間、エネルギーセンサーAMPKはアルギニンメチルトランスフェラーゼCARM1を活性化し、ヒストンH3の過剰メチル化（H3R17me2）を媒介して、オートファジーの増強を引き起こします。さらに、O -GlcNAcトランスフェラーゼ（OGT）はTET3にグルコース利用可能性をシグナルし、TET3のジオキシゲナーゼ活性を低下させ、核外輸送を促進することでTET3を阻害します。OGTはヒストンをO -GlcNAcで直接修飾することも知られています。これらの観察結果は、栄養シグナル伝達がエピジェネティック酵素を直接標的としてエピジェネティック修飾を制御していることを強く示唆しています。^[5]

栄養感知は組織成長の重要な調節因子である。細胞栄養感知の主な媒介因子はタンパク質キナーゼTOR（ラパマイシン標的）である。TORは細胞アミノ酸とエネルギーのレベルから情報を受け取り、タンパク質合成やオートファジーなどの細胞成長に関わるプロセスの活性を調節する。インスリン様シグナル伝達は全身栄養感知の主なメカニズムであり、主にタンパク質キナーゼ経路を介してその成長調節機能を媒介する。他の栄養調節ホルモンメカニズムは、インスリン様シグナル伝達の活性を調節する成長制御に寄与する。^[6]

高等植物は、そのライフサイクルを完了するために、いくつかの必須栄養素を必要とします。ミネラル栄養素は主に根圏から根によって獲得され、その後、芽に分配されます。栄養素の制限を克服するために、植物は、外部の栄養素の利用可能性を認識し、それに適応するための感知機構とシグナル伝達プロセスからなる一連の精巧な反応を進化させてきました。^[7]

植物は、土壌から根に栄養分を吸収することで、必要な栄養素のほとんどを獲得します。植物は、栄養分が不足している環境に移動することはできませんが、栄養分が豊富な土壌領域に根を張るように成長を調整することができます。そのため、植物は窒素などの外部栄養素の可用性を認識し、この栄養素感知を適切な適応反応と結び付けます。

カリウム（K ⁺）とリン（P ⁺）は作物にとって重要な主要栄養素ですが、現場では不足することがよくあります。植物がK ⁺とP ⁺の濃度の変動をどのように感知し、そのような感知が生物レベルで生理学的および代謝的適応にどのように統合されるかについては、ほとんどわかっていません。^{[8] [9]}作物の成長には、他の微量栄養素も重要です。これらの栄養素はすべて植物の成長に等しく重要であり、1つの栄養素が不足すると、植物の成長が悪くなるだけでなく、病気にかかりやすくなったり、死に至る可能性があります。^{[10]これらの栄養素は、CO} ₂や太陽からのエネルギーとともに、植物の発育を助けます。^{[11] [リンク切れ‍ ]}

すべての植物の発達と成長に最も重要な栄養素の1つとして、窒素の感知とシグナル伝達応答は植物が生きるために不可欠です。^{[12]植物は、}硝酸塩またはアンモニアの形で土壌から窒素を吸収します。^[13]酸素レベルの低い土壌では、アンモニアが主要な窒素源ですが、その毒性はアンモニウムトランスポーター（AMT）の転写によって注意深く制御されています。^[13]この代謝物とグルタミン酸やグルタミンを含む他の代謝物は、窒素トランスポーター遺伝子の転写を調節することにより、窒素不足のシグナルとして機能することが示されています。^[14] NRT1.1はCHL1としても知られ、植物の細胞膜上にある硝酸塩トランセプター（トランスポーターおよび受容体）です。^[13]これは、T101残基のリン酸化に応じてさまざまな濃度の硝酸塩を感知する、高親和性と低親和性の両方のトランセプターです。^[13]植物にとって、硝酸塩は単なるシグナルとしても作用することが示されており、代謝できない突然変異体でもイオンを感知することができる。^[14]例えば、多くの植物は、硝酸塩濃度の低い条件では硝酸塩調節遺伝子が増加し、硝酸塩濃度の高い土壌ではそのような遺伝子のmRNA転写が一貫している。^{[14]これは、硝酸塩の}代謝産物がなくても土壌の硝酸塩濃度を感知し、下流の遺伝的効果を示す能力があることを示しています。^[14]

必須栄養素の1つであるカリウム（K+）は、植物の土壌に含まれています。K+は最も豊富な陽イオンであり、植物の土壌には非常に限られています。植物は、根の細胞の細胞膜にあるチャネルを通じて土壌からK+を吸収します。カリウムは、硝酸塩やアンモニウムなどの他の栄養素のように有機物に同化されませんが、主要な浸透圧剤として機能します。^[7]

蓄えられたエネルギーと摂取カロリーのバランスを注意深く保つことは、体が自分自身を維持し、成長し、活動するのに十分なエネルギーを確保するために重要です。バランスが不適切だと、肥満やそれに伴う障害を引き起こす可能性があります。^[15]