酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的G1期在细胞生长及分裂准备过程中起到了关键作用。在这一阶段，一系列调控过程被激活，控制细胞大小、代谢活性、蛋白质合成及整体生理状态。然而，这些细胞响应的潜在原因及其在生物制造中的应用潜力尚未得到充分研究。
已有研究强调了G1期在调节各种生理过程中的重要性，尤其是在协调细胞大小和代谢方面的作用。G1期是控制细胞大小的核心阶段；较小的细胞需要经历更长的G1期以达到适当的大小，才能通过细胞大小检查点。这一复杂过程由周期素依赖性激酶（CDKs）及其抑制剂和激活剂精密调控，对正常的细胞周期进程以及细胞大小产生重要影响。G1周期素Cln3通过形成Cln3–Cdk1复合物在调控G1期持续时间方面发挥核心作用，促进转录因子SBF的释放，从而推动细胞进入后续的S期。在酿酒酵母中，Cln3的水平随细胞大小变化而相对稳定，而其抑制因子Whi5的水平则随着G1期的细胞生长而下降。这种现象建立了一个细胞大小阈值，在该阈值下，Whi5不再抑制Cln3的活性。当化学或遗传干预中断细胞周期时，细胞大小会持续增大。在酵母中，细胞体积、RNA和蛋白质生物合成在一定范围内呈同步增加。这种同步性表明，较大的细胞作为细胞工厂具有显著优势，因为其蛋白表达水平更高，并且胞内产品（如疏水性化合物）的储存空间也更为广阔。例如，先前的研究表明，未折叠蛋白反应（UPR）的激活能够促进蛋白质合成，从而提高疏水性化合物如白花春黄菊内酯的产量。此外，疏水性萜类化合物的储存空间扩展也支持了其更高的产量。
模式机理图（图片源自PNAS）
由于G1期延长期间蛋白质合成能力的增强，与产物生物合成通路相关的关键酶更有可能在较高水平上表达。然而，当内质网的蛋白质折叠能力无法满足细胞蛋白质合成需求时，会引发一系列反应，如UPR和脂质合成增加。此外，在G1期延长的细胞中，必须重新分配代谢通量以满足维持较大细胞大小所需的细胞成分的生物合成。尽管营养信号通路与细胞周期控制网络之间的复杂通信尚不完全清楚，但近年来关于细胞周期的研究不仅集中于基础生理学，还在生物制造中显示出巨大的潜力。例如，Bezold等人在发芽酵母细胞周期的G2期通过光遗传学干预显著提高了有价值化学物质的生产，尽管其潜在机制尚未解决。值得注意的是，目前尚未有研究探讨G1期的干预在应用生物技术中的潜力，这使得细胞周期动力学与细胞工厂性能之间的关系仍未得到充分探索。
疏水性化合物具有广泛的应用，其中脂肪酸衍生物和萜类化合物是最重要的两大类。这些化合物在应用生物技术中持续受到关注，开发细胞工厂用于生产这类化合物具有重要意义。在本研究中，作者选择类胡萝卜素和脂肪醇作为两种代表性疏水性产物。研究阐明了酵母细胞周期、细胞大小、代谢变化、蛋白质合成与疏水性化合物生产之间的复杂关系。通过揭示其潜在机制并识别可能的调控靶点，作者的发现不仅拓宽了对细胞行为的理解，还为优化生物生产工艺和提高酵母中疏水性化合物的产量提供了宝贵的见解。
原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2413486121
—END—
内容为【iNature】公众号原创，
转载请写明来源于【iNature】
微信加群
iNature汇集了4万名生命科学的研究人员及医生。我们组建了80个综合群（16个PI群及64个博士群），同时更具专业专门组建了相关专业群（植物，免疫，细胞，微生物，基因编辑，神经，化学，物理，心血管，肿瘤等群）。温馨提示：进群请备注一下（格式如学校+专业+姓名，如果是PI/教授，请注明是PI/教授，否则就直接默认为在读博士，谢谢）。可以先加小编微信号（love_iNature），或者是长按二维码，添加小编，之后再进相关的群，非诚勿扰。
投稿、合作、转载授权事宜
请联系微信ID：13701829856 或邮箱：iNature2020@163.com
觉得本文好看，请点这里！
