酵母碳源抉择之谜：突破传统认知，探寻碳源偏好新机制

为探究酵母碳源选择机制，研究人员以非葡萄糖碳源对为对象，发现酵母优先利用半乳糖，且调控机制复杂，意义重大。

　　在微观的细胞世界里，微生物如何选择 “食物”—— 碳源，一直是个有趣又充满挑战的科学谜题。就拿酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）来说，它在碳源选择上有着自己的 “小算盘”。一直以来，人们都知道微生物常常优先选择葡萄糖作为碳源，可除了葡萄糖，酿酒酵母还能消耗至少六种其他糖类，对于这些糖类之间的选择偏好和具体机制，科学界却知之甚少。而且在细胞碳源感应这个关键环节，尽管已经了解到很多调控机制让细胞偏爱葡萄糖，但对于所有糖类组合是否存在复杂的偏好等级，以及这种等级是如何被严格执行的，仍是未解之谜。这就好比我们知道一个城市里的居民偏爱某种食物，但对于他们在其他众多食物之间如何抉择，却毫无头绪。正是为了解开这些谜团，英国爱丁堡大学（The University of Edinburgh）的研究人员展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Communications Biology》杂志上，为我们揭示了酿酒酵母碳源选择背后的神秘机制，这对于深入理解细胞代谢和调控过程具有重要意义。

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：一是利用平板读数仪（plate readers）测量细胞生长动态和荧光，通过一系列数据处理分析细胞生长情况；二是运用气相色谱 - 质谱联用技术（GC - MS）测定细胞外糖类浓度；三是采用 RNA 测序（RNA - seq）来分析基因表达变化；四是构建数学模型，通过数学手段深入探究相关调控机制。

下面让我们详细看看具体的研究结果：

1. 细胞在半乳糖 - 帕拉金糖混合物中呈现双相生长：研究人员借助平板读数仪，仔细观察细胞的生长情况。他们发现，在半乳糖 - 帕拉金糖混合物中，细胞呈现出明显的双相生长（diauxie）模式，这和葡萄糖 - 帕拉金糖混合物中的双相生长类似。从生长曲线来看，生长速率出现了两个局部最大值，这意味着细胞会先消耗半乳糖，等半乳糖耗尽后才开始利用帕拉金糖。代谢组学数据也有力地证实了这一点，细胞外半乳糖在大约 20 小时内就消失了，而此时约 90% 的帕拉金糖还存在，直到生长的第二阶段，帕拉金糖浓度才迅速下降。此外，研究还发现，细胞在生长过程中会抑制帕拉金糖代谢基因的表达，比如 IMA5 基因的表达在半乳糖消耗阶段受到抑制，之后才会增加。而在果糖 - 帕拉金糖或蔗糖 - 帕拉金糖混合物中，却没有明显的双相生长现象，细胞会立即表达分解帕拉金糖的异构麦芽糖酶（isomaltases）。这些结果表明，酿酒酵母在半乳糖和帕拉金糖之间存在明确的选择偏好，并且这种偏好的调控机制较为特殊，与一般的碳通量感应机制不同。
2. 活跃的 Gal4 限制了帕拉金糖的利用：为了深入探究细胞内半乳糖抑制 MAL 基因的机制，研究人员对 GAL 调控子进行了组成型激活实验。他们敲除 GAL80 基因，使得 Gal4 持续激活。结果发现，在半乳糖 - 帕拉金糖和果糖 - 帕拉金糖混合物中，gal80Δ 菌株对帕拉金糖的利用受到限制或延迟。进一步研究发现，这种现象并非是因为细胞内资源耗尽，而是 Gal4 和 GAL2 共同作用阻碍了细胞对帕拉金糖的代谢。通过 RNA - seq 分析发现，活跃的 Gal4 会抑制 MAL11 基因的表达，从而削弱 MAL 调控子的正反馈。这表明 Gal4 在酿酒酵母对碳源的选择调控中起着关键作用，它可以通过抑制相关基因的表达，限制细胞对特定碳源的利用。
3. 数学建模预测降低 IMA 表达可能消除半乳糖 - 帕拉金糖双相生长：研究人员构建了 MAL 调控子的数学模型，该模型包含正反馈和负反馈机制。通过对模型进行分岔分析，研究人员发现，异构麦芽糖酶（IMA1 和 IMA5）的表达水平对双相生长有着重要影响。模型预测，如果 GAL 诱导增加的 MAL11 表达的 EC50（KT）不是太大，且 IMA 表达降低，那么即使存在细胞外半乳糖，菌株也可能会开启 MAL 调控子，从而消除半乳糖 - 帕拉金糖的双相生长。这为进一步理解双相生长的调控机制提供了理论依据，也为后续实验指明了方向。
4. 缺失 IMA1 消除半乳糖 - 帕拉金糖双相生长：为了验证数学模型的预测，研究人员进行了基因敲除实验。他们敲除了 IMA1 基因，结果发现 ima1Δ 细胞在半乳糖 - 帕拉金糖混合物中确实失去了双相生长特性。而敲除 IMA5 基因则没有这种效果，这可能是因为 IMA1 转录水平更高，对异构麦芽糖酶浓度影响更大。这一实验结果表明，通过调节异构麦芽糖酶的表达，可以改变酿酒酵母对碳源的利用模式，进一步证实了数学模型的预测，也揭示了异构麦芽糖酶在双相生长调控中的关键作用。

综合上述研究，研究人员得出结论：酿酒酵母会优先选择半乳糖而非帕拉金糖，这一偏好是由细胞主动调控的，部分通过转录调节因子 Gal4 来实现。这一发现挑战了当前对细胞碳源选择机制的理解，表明细胞优先选择碳源既不是通过简单的稀释被动实现，也不是仅依赖通量感应机制。细胞可能结合了一般的通量感应机制和针对特定碳源的靶向调控机制来进行碳源选择。然而，目前仍有许多问题有待解决，比如细胞如何识别不同糖类并区分其浓度差异，活跃的 Gal4 如何抑制 MAL11 表达等。这些未解之谜为后续研究提供了方向，也让我们更加期待未来能进一步揭示细胞碳源选择的神秘面纱，这对于深入理解细胞代谢、调控机制以及生物进化等方面都具有重要的科学意义。