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在细胞营养感知中，依赖细胞内营养浓度的感知系统存在无法区分供应与需求变化的问题。研究人员以酿酒酵母半乳糖响应（GAL）通路为对象展开研究，发现 Gal1p 是通量传感器，可稳定 GAL 信号传导。该发现为代谢调控研究提供新方向。
在细胞的生命活动中，营养物质的获取与利用至关重要。细胞需要根据外界营养物质的供应情况，精准地调整自身的代谢活动，以维持生存和正常功能。其中，营养感知系统就像是细胞的 “情报员”，负责监测外界营养环境的变化，并将这些信息传递给细胞内的代谢调控机制。目前已知的营养传感器主要有两类，一类是位于细胞膜上的受体，它们能直接感知细胞外营养物质的浓度；另一类是细胞质受体，通过检测细胞内营养物质浓度来间接感知外界环境变化。然而，依赖细胞内营养浓度的感知系统存在一个棘手的问题：当细胞内营养物质浓度发生变化时，细胞无法判断这种变化究竟是由于外界营养物质供应减少，还是自身代谢需求增加所导致的。这就好比一个人感觉肚子饿了，但却不知道是因为食物供应不足，还是自己消耗能量太快，这种不确定性可能会影响细胞做出正确的反应。为了解决这个问题，科学家们提出了多种理论机制，但这些机制大多停留在理论层面，在细胞中的实际作用并不明确。
在这样的背景下，来自哈佛医学院（Harvard Medical School）、麻省理工学院和哈佛大学博德研究所（Broad Institute of Massachusetts Institute of Technology and Harvard）以及哈佛大学维斯生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, Harvard University）的研究人员 Julius Palme、Ang Li 和 Michael Springer 展开了深入研究。他们将目光聚焦于酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的半乳糖响应（GAL）通路，旨在揭示其在营养感知和代谢调控中的奥秘。最终，他们发现 GAL 通路中存在一种独特的通量传感器 —— 半乳糖激酶（Gal1p），它能够通过一种全新的机制感知代谢通量，进而稳定 GAL 通路的调控。这一发现为理解细胞代谢调控提供了新的视角，也为后续相关研究开辟了新的方向，相关成果发表在《Nature Metabolism》杂志上。
研究人员在此次研究中，主要运用了以下几种关键技术方法：
- 菌株构建技术：通过对酿酒酵母菌株进行基因编辑，如基因删除、基因过表达等操作，构建出多种不同基因型的菌株，用于后续实验研究。
- 荧光报告技术：利用荧光蛋白标记相关基因，如将 mVenus 的表达置于 GAL1 启动子控制下，通过检测荧光强度来反映 GAL 信号传导水平；使用 mScarlet-I 标记 Gal1p，用于量化蛋白表达水平 。
- 流式细胞术（Flow Cytometry）：借助该技术对细胞进行分析，获取细胞的荧光信号，从而定量分析蛋白表达水平和 GAL 信号传导情况。
- 数学建模：构建数学模型，对实验数据进行分析和预测，深入探究代谢酶水平与营养感知信号之间的关系，以及通量传感器和浓度传感器的特性差异。
研究结果
- GAL 通路信号随通量增加而增强
研究人员首先构建了一个简单的数学模型，模拟底物分子进入细胞后的代谢过程。在这个模型中，他们发现按照常规理解，增加代谢酶水平会导致信号减弱。然而，当研究人员将目光投向酿酒酵母的 GAL 通路时，却得到了意想不到的结果。在 GAL 通路中，Gal3p 作为浓度传感器，在结合细胞内半乳糖后会引发信号传导，促使参与半乳糖代谢的酶表达，其中就包括半乳糖激酶 Gal1p。研究人员通过控制 GAL1 - mScarlet - I 融合基因的表达，改变 Gal1p 的水平，并测量 GAL 信号传导。令人惊讶的是，他们发现增加 Gal1p 水平反而会使 GAL 信号增强。进一步研究发现，Gal1p 本身具有信号传导功能，它与半乳糖结合形成的 Gal1p - 半乳糖复合物，不仅能催化半乳糖代谢的第一步反应，还能与 GAL 阻遏蛋白 Gal80p 结合，从而上调 GAL 基因表达。为了验证这一结论，研究人员引入了来自进化上较远的酵母粟酒裂殖酵母（Saccharomyces pombe）的半乳糖激酶基因 SpGAL1。由于两种酵母的共同祖先生活在 3 亿多年前，研究人员推测 SpGal1p 在酿酒酵母中可能无法与 Gal80p 结合并传导信号。实验结果证实了这一推测，在缺失 GAL1 和 GAL3 的菌株中，表达 SpGal1p 并未导致 GAL 信号传导；而在野生型 GAL3 基因存在的情况下，增加 SpGal1p 水平会使 GAL 信号减弱，这与最初的模型预测一致。由此可见，天然 Gal1p 的信号传导在防止代谢酶表达增加导致 GAL 信号下降方面发挥着重要作用。
- Gal1p 是一种酶促通量传感器
既然增加 Gal1p 水平会增强 GAL 信号，同时 Gal1p 又催化半乳糖代谢的第一步反应，那么代谢通量的变化如何不会干扰信号传导呢？研究人员发现，Gal1p 与半乳糖结合形成的 Gal1p - 半乳糖复合物是解开这一谜团的关键。这个复合物既负责 Gal1p 的信号传导功能，又参与酶促反应产生代谢通量。由于半乳糖磷酸化反应接近不可逆，信号传导和代谢通量都与该复合物的浓度呈线性相关，这使得 Gal1p 能够有效地感知其催化反应的通量。而且，在半乳糖代谢的单一、无分支通路中，通过感知 Gal1p 的通量就足以测量整个代谢通路的通量，因为稳态下各个反应的通量相等，且 Gal1p 通量等于细胞外半乳糖的净转运通量。为了进一步验证 Gal1p 作为通量传感器的独特性，研究人员通过实验对比了 Gal1p 和经典半乳糖浓度传感器 Gal3p 的特性。他们发现，改变细胞外底物浓度和传感器蛋白水平时，Gal1p 和 Gal3p 的反应存在明显差异。对于 Gal1p，改变其水平不会改变半乳糖通量与 GAL 信号传导之间的关系；而对于 Gal3p，二者的关系则依赖于 Gal3p 的水平。这表明 Gal1p 确实是一种独特的半乳糖通量传感器，而 Gal3p 则作为经典的半乳糖浓度传感器发挥作用。
- Gal1p 通量传感具有独特的信号传导模式
研究人员对模型数据进行深入分析后发现，在低传感器水平时，通量传感器和浓度传感器的信号传导表现相似，增加传感器水平都会使信号增强；但在高传感器水平时，二者的行为出现明显差异。浓度传感器的信号会在达到信号极限时饱和，而通量传感器的信号则会在低于信号极限的一个特定点饱和，这个点被称为 “通量极限”。在通量极限状态下，Gal1p 信号传导具有独特的性质：信号与 Gal1p 水平无关，但仍能对外界细胞外半乳糖浓度的变化做出响应。这种现象是由于通量传感器的催化活性导致的。当增加通量传感器水平时，一方面会增加信号传导，但另一方面也会降低细胞内可与传感器结合的底物分子浓度。当这两种相反的效应达到平衡时，通量传感器 - 底物复合物的浓度保持不变，信号也就不再随传感器水平的增加而增强。研究人员通过实验验证了这一模型预测，分别改变 Gal1p 和 Gal3p 的水平，观察它们对 GAL 信号传导的影响。结果发现，增加 Gal1p 水平在低水平时会增强 GAL 信号，达到通量极限后，信号不再随 Gal1p 水平变化，但会随细胞外半乳糖浓度或转运体 Gal2p 水平的改变而变化；而增加 Gal3p 水平则会持续增强 GAL 信号，直至达到信号极限，此时信号不再对细胞外半乳糖浓度的变化做出响应。此外，研究人员还发现，在野生型细胞中，内源性的 GAL 调控能够使 Gal1p 水平在有半乳糖存在时达到通量极限，这表明这种独特的信号传导模式在生理条件下是具有实际意义的。
- 通量传感稳定 GAL 信号传导
在细胞利用半乳糖进行生长的过程中，不仅需要初始激活 GAL 信号传导，还需要在持续生长过程中维持稳定的 GAL 信号。以往研究大多关注 GAL 信号的初始激活，而本研究发现，Gal1p 通量传感在维持 GAL 信号稳定方面发挥着关键作用。当 GAL 信号仅由 Gal3p 浓度传感调控时，增加代谢酶（如 SpGal1p）水平在低水平时对 GAL 信号影响较小，但在高水平时会显著降低 GAL 信号。然而，当存在 Gal1p 通量传感时，在低 Gal1p 水平下增加其水平会增强 GAL 信号；在高 Gal1p 水平下，Gal1p 通量传感能够使 GAL 信号保持稳定，不受 Gal1p 水平波动的影响，同时仍能对细胞外半乳糖浓度的变化做出响应。研究人员通过一系列实验验证了这一结论。他们首先删除 GAL1 基因，去除半乳糖通量和 Gal1p 通量传感，结果发现 GAL 信号变得不稳定；而在删除 GAL1 基因的同时，用组成型启动子替换 GAL80 的启动子，去除 GAL80 的负反馈调节后，GAL 信号又恢复了稳定。这表明 GAL80 的负反馈调节在 GAL1 缺失时会导致 GAL 信号不稳定，而 Gal1p 通量传感能够补偿这种不稳定性。此外，研究人员还通过实验证明，增加 GAL2 表达的正反馈既不是稳定 GAL 信号所必需的，也不是充分的；删除 GAL3 废除 Gal3p 浓度传感也不会使 GAL 信号不稳定。这些结果充分表明，稳定 GAL 信号是 Gal1p 通量传感特有的生理功能。
研究结论与讨论
本研究明确了 Gal1p 作为通量传感器的重要作用，其通量传感功能源于自身的双功能特性，催化和信号传导都依赖于 Gal1p - 半乳糖复合物的形成，使得二者相互耦合，从而有效感知半乳糖通量。Gal1p 通量传感与经典的 Gal3p 半乳糖浓度传感并行发挥作用，二者具有不同的转录谱和感知特性，分别承担着激活和稳定 GAL 信号传导的特定生理任务。这一发现不仅为理解 GAL 通路的调控机制提供了更深入的认识，还揭示了一种全新的通量传感机制 ——“反向别构（reverse allostery）”。这种机制在代谢酶中可能广泛存在，但由于传统实验方法的局限性，此前未被发现。许多代谢酶都具备实现通量传感的生物物理条件，它们通过反向别构调节自身的次级活性，从而实现通量传感。这一机制具有重要的潜在意义，它可以将代谢通量与多种细胞过程相耦合，不仅可以调节蛋白质间的结合，还可能参与调控 DNA、RNA 结合以及不同催化活性之间的相互作用等。未来，随着蛋白质设计技术的不断发展，这一机制有望被用于设计新型蛋白质，实现代谢通量与任意细胞过程的精准耦合。总之，本研究为代谢通路中通量传感系统的识别、表征和设计提供了重要的理论框架，有望推动通量传感成为代谢调控研究领域的一个重要方向，为深入理解细胞代谢调控机制和开发新型治疗策略奠定基础。
