《Nature Communications》：Multilayered regulation of TORC1 signaling by Ait1, Gcn2, and SEAC/GATOR during nitrogen limitation and starvation
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编辑荐语面对“细胞如何精准区分氮源不足与彻底饥饿”这一长期悬而未决的难题，研究团队以酿酒酵母为模型，系统解析Ait1、Gcn2及SEAC/GATOR在TORC1通路中的分层调控逻辑，首次揭示“低氮适应（LoNA）”与“完全静止”两档命运的决定机制，为跨物种营养感应研究提供新范式。
研究背景
在真核生物中，TORC1（Target of Rapamycin kinase Complex I）如同细胞生长的“油门踏板”，感应氮源丰度后迅速决定是加速增殖还是踩下刹车进入静止。然而自然界里氮源 rarely“全有或全无”，更多时候是“质量变差—浓度下降—彻底耗尽”的连续谱。过往研究多聚焦“突然完全撤氮”这种极端条件，忽略了细胞面对“劣质但仍存在”氮源时的精细调控策略；同时，上游80余种调控蛋白如何协同传递“轻度不足”与“完全饥饿”两种差异信号，仍是黑箱。正是这些空白，促使Padila等以酿酒酵母为模型，追问细胞如何凭同一套TORC1网络做出“低速生长”还是“直接休眠”的选择。
研究设计与结论
为回答上述问题，作者搭建“谷氨酰胺→脯氨酸→无氮”三阶氮源梯度，模拟自然环境中的氮质递减。结合磷酸化蛋白质组、TORC1活性测定与遗传扰动，系统剖析Gtr1/2、Pib2、Ait1、Gcn2及SEAC/GATOR在不同氮条件下的层级关系，得出以下结论：
劣质氮源诱导“低氮适应（LoNA）”状态
当细胞从富氮（谷氨酰胺）转入劣质氮（脯氨酸）时，TORC1被快速但仅部分抑制，Sch9磷酸化水平先降后升，细胞不停止分裂，而是启动广泛代谢重编程——47种膜转运蛋白、80种外周/液泡蛋白及54种小分子代谢酶发生磷酸化或表达量改变，实现“省吃俭用”式慢速生长。
Ait1与Gcn2是LoNA状态的核心刹车片
缺失Ait1或Gcn2任一因子，TORC1-Sch9信号几乎不再被抑制；双突变体中LoNA相关磷酸化事件大面积消失，细胞持续高速生长，提示二者协同感知“氮质下降”并削弱TORC1。
SEAC/GATOR在LoNA阶段仅起“备份”作用
敲除SEAC复合体催化亚基Npr2或支架蛋白Iml1，对Sch9磷酸化影响微弱；只有当Ait1、Gcn2同时缺失时，SEAC的缺失才进一步放大TORC1活性，表明其在此阶段处于低活性“待命”模式。
完全饥饿触发“SEAC+Ait1+Gcn2”三重刹车
进入无氮环境后，SEAC活性陡增，与Ait1、Gcn2合力将TORC1-Sch9彻底关闭，导致286个磷酸位点深度去磷酸化，细胞周期、核糖体合成、极性生长等通路全面停摆，酵母进入真正的静止态（quiescence）。
多层设计赋予细胞“梯度响应”能力
30 min短时点比较显示，LoNA与饥饿的磷酸化谱高度重叠；4 h后二者分道扬镳：LoNA组通过部分恢复TORC1维持低速生长，饥饿组则借助持续强抑制进入休眠。该“先重叠后分叉”策略使细胞先用同一套紧急程序应对任何氮下降，再根据氮有无进一步决定命运。
技术路线
研究以原养型酿酒酵母W303为材料，采用“磷酸化蛋白质组学+磷酸化Sch9 mobility shift+多重基因缺失+定量质谱”四大技术：①Ti-IMAC富集磷酸肽，Orbitrap Fusion Lumos进行label-free定量的磷酸化蛋白质组；②NTCB化学切割Sch9，Western blot检测C端片段迁移率变化，实时反映TORC1活性；③系统构建单、双、三突变体，厘清遗传上位关系；④平行比较脯氨酸限制与完全撤氮两种处理，实现“梯度vs极端”对照。
结果概要
图1：Sch9磷酸化动态证实TORC1在脯氨酸中“先抑后扬”，在无氮中持续关闭。
图2：436个差异磷酸化位点聚为四簇，分别对应快速失活、延迟失活、快速激活、延迟激活，揭示LoNA状态的时序调控。
图3–4：饥饿组630个磷酸位点中，仅10%源于蛋白丰度变化；286个位点需要“完全撤氮+雷帕霉素”才能深度去磷酸，提示其受TORC1严格掌控。
图5：Gtr1/2活性突变体与Pib2结构域缺失证明，二者在劣质氮中仍主动提供TORC1招募信号，与Ait1/Gcn2的抑制信号形成“推拉”网络。
图6–7：Ait1+Gcn2双缺几乎抹除LoNA磷酸化特征；Npr2缺失仅在高氮或备份情境下显效，确立调控层级。
图8：完全饥饿15 min内，Ait1+Gcn2缺失即阻断TORC1关闭；SEAC缺失延迟48 h静止进入，证实三重协同。
图9模型：提出“高氮-SEAC低度警戒→劣质氮-Ait1/Gcn2主导部分抑制→无氮-SEAC全激活协同完全抑制”的三层回路，实现生长、适应、静止的平滑切换。
研究意义
该工作首次在磷酸化网络层面解析了细胞如何区分“氮少”与“氮无”，揭示Ait1、Gcn2为“敏感探头”，SEAC/GATOR为“终极开关”的分工逻辑，提出“低氮适应（LoNA）”这一介于生长与静止的中间态概念。由于TORC1、GATOR、GCN2等模块在酵母至人类高度保守，该“梯度感应—分层抑制”机制为理解肿瘤细胞在微环境营养波动中的生存策略、以及干预mTORC1相关代谢疾病提供了新靶点与新思路。论文2025年6月投稿、11月在线发表于《Nature Communications》。
