ABSTRACT Cellular resources are limited and their relative allocation to gene expression programmes determines physiological states and global properties such as the growth rate. Quantitative studies using various growth conditions have singled out growth rate as a major physiological variable explaining relative protein abundances. Here, we used the simple eukaryote Schizosaccharomyces pombe to determine the importance of growth rate in explaining relative changes in protein and mRNA levels during growth on a series of non-limiting nitrogen sources. Although half of fission yeast genes were significantly correlated with the growth rate, this came alongside wide-spread nutrient-specific regulation. Proteome and transcriptome often showed coordinated regulation but with notable exceptions, such as metabolic enzymes. Genes positively correlated with growth rate participated in every level of protein production with the notable exception of RNA polymerase II, whereas those negatively correlated mainly belonged to the environmental stress response programme. Critically, metabolic enzymes, which represent ∼55-70% of the proteome by mass, showed mainly condition-specific regulation. Specifically, many enzymes involved in glycolysis and NAD-dependent metabolism as well as the fermentative and respiratory pathways were condition-dependent and not consistently correlated with growth. In summary, we provide a rich account of resource allocation to gene expression in a simple eukaryote, advancing our basic understanding of the interplay between growth-rate dependent and nutrient-specific gene expression.

Cell size varies during the cell cycle and in response to external stimuli. This requires the tight coordination, or “scaling”, of mRNA and protein quantities with the cell volume in order to maintain biomolecules concentrations and cell density. Evidence in cell populations and single cells indicates that scaling relies on the coordination of mRNA transcription rates with cell size. Here we use a combination of single-molecule fluorescence in situ hybridisation (smFISH), time-lapse microscopy and mathematical modelling in single fission yeast cells to uncover the precise molecular mechanisms that control transcription rates scaling with cell size. Linear scaling of mRNA quantities is apparent in single fission yeast cells during a normal cell cycle. Transcription rates of both constitutive and regulated genes scale with cell size without evidence for transcriptional bursting. Modelling and experimental data indicate that scaling relies on the coordination of RNAPII transcription initiation rates with cell size and that RNAPII is a limiting factor. We show using real-time quantitative imaging that size increase is accompanied by a rapid concentration independent recruitment of RNAPII onto chromatin. Finally, we find that in multinucleated cells, scaling is set at the level of single nuclei and not the entire cell, making the nucleus the transcriptional scaling unit. Integrating our observations in a mechanistic model of RNAPII mediated transcription, we propose that scaling of gene expression with cell size is the consequence of competition between genes for limiting RNAPII.

Summary Glioblastoma is thought to originate from neural stem cells (NSCs) of the subventricular zone that acquire genetic alterations. In the adult brain, NSCs are largely quiescent, suggesting that deregulation of quiescence maintenance may be a pre-requisite for tumour initiation. Although inactivation of the tumour suppressor p53 is a frequent event in gliomagenesis, whether, or how, it affects quiescent NSCs (qNSCs) remains unclear. Here we show that p53 maintains quiescence by inducing fatty acid oxidation (FAO) and that acute p53 deletion in qNSCs results in their premature activation to a proliferative state. Mechanistically, this occurs through direct transcriptional induction of PPARGC1a, which in turn activates PPARα to upregulate FAO genes. Strikingly, dietary supplementation with fish oil containing omega-3 fatty acids, natural PPARα ligands, fully restores quiescence of p53-deficient NSCs and delays tumour initiation in a glioblastoma mouse model. Thus, diet can silence glioblastoma driver mutations, with important implications for cancer prevention.