Коротко и по делу.
1) Какие регуляторные сети отвечают за перестройку
- TORC1 / Sch9 / Tap42 — главный сенсор полноты азота: при благоприятном N активен → стимулирует синтез рибосом, подавляет автография; при дефиците TORC1 ингибируется → деградируются рибосомные гены, включаются катаболические и аутофагические программы.
- Nitrogen catabolite repression (NCR) — система «предпочтительного» азота: ключевые факторы GATA‑транскрипторы Gln3 и Gat1, ингибитор Ure2. При хорошем N Gln3 удерживается в цитоплазме (Ure2), при бедном N — дефосфорилируется, входит в ядро и активирует гены для использования непредпочтительных источников (GAP1, MEPs, DAL, PUT и т.д.).
- SPS‑сигнальная система (Ssy1–Ptr3–Ssy5) → Stp1/Stp2 — отвечает на внешние аминокислоты, включает переносчики аминокислот (например AGP1, BAP2).
- General amino acid control (GAAC) — Gcn2 / eIF2α / Gcn4: при недостатке аминокислот Gcn2 фосфорилирует eIF2α → повышенная трансляция GCN4 → активация синтеза аминокислот и транспортёров.
- Регуляция транспортеров и их стабильности: Npr1, arrestins, Rsp5 — контролируют фосфорилирование, эндоцитоз и убиквитинирование переносчиков (GAP1, MEPs).
- Кросс‑ток с углеродными путями: Snf1, PKA и RTG (ретроградный сигнал митохондрий) модулируют метаболизм в зависимости от C/N баланса.
2) Молекулярные ответы (что именно включится/выключится)
- Включаются: переносчики альтернативных N (GAP1, PUT4, DUR3, MEPs при низк. NH4+), ферменты катаболизма непредпочтительных N (PUT1/PUT2 для пролина, DAL для аллантоина и т.д.), гены аминокислотного биосинтеза (через Gcn4).
- Выключаются/подавляются: рибосомные и рост‑ассоциированные гены (через TORC1), ферменты и пути, ассоциированные с быстрым ростом при избытке N.
- Автофагия (ATG‑гены) и рециклинг белков активируются при сильном дефиците.
3) Как это отразится на росте
- Скорость роста (μ) обычно падает: при ограничении азотаeffective μ уменьшается (в простом приближении по Моноду $\mu ={\mu }_{\max }\frac{S}{K_S+S}$, где $S$ — концентрация доступного источника N).
- Биосинтез белка и доля рибосом падают → удлинение регенеративного времени клеток, снижение µmax и потенциально снижение удельного выхода биомассы.
- При переключении на плохой N возможна временная перестройка: кратковременное «проваливание» роста с последующим медленным восстановлением на новой скорости по мере индукции переносчиков и ферментов.
4) Как это отразится на продуктах метаболизма
- Изменится поток углерода: при N‑ограничении избыток углерода может откладываться в виде запасных углеводов (гликоген, трегалоза) и липидов, или выделяться как этанол/ацетальдегид в зависимости от условий (аэроб/анаэроб) и соотношения C/N.
- Повышенная деградация аминокислот может давать аммиак/аммоний и органические кислоты; использование пролина, аллантоина и др. даёт специфические промежуточные продукты (например, проlin → глутамат → α‑кетоглутарат).
- Изменится соотношение между анаэробным и аэробным метаболизмом: при снижении синтеза белка уменьшается потребление N и может возрастать дыхательная активность на единицу углерода (в зависимости от O2 и сахара).
- Изменится экспорт/рН медиума: деаминирование высвобождает NH3/NH4+ и влияет на pH.
5) Практические последствия и маркеры наблюдения
- Ожидаемые изменения в трансриптоме/протеоме: ↑GAP1, PUT1/2, DAL, GLT1/GLN1/ GDH1 (в зависимости от типа N), ↑ATG, ↓рибосомные белки.
- Метаболомика: изменение уровней аминокислот, ↑накопление запасных углеводов, изменение этанола/орг.кислот и аммония в супернатанте.
- Фенотип: замедление роста, возможный стрессовый ответ, изменение клеточной формы/биотопки.
Короткий вывод: основными «переключателями» при смене источника азота — TORC1 (через Sch9/Tap42), NCR (Gln3/Gat1 + Ure2), GAAC (Gcn2/Gcn4) и SPS‑система; они координируют индукцию переносчиков и ферментов для нового источника, подавляют рост‑ассоциированные программы и тем самым снижают скорость роста, изменяя распределение углеродных потоков в пользу запасов, дыхания или специфических продуктов деградации азотсодержащих соединений.