细胞是由相互关联的过程构成的精密系统，需在耐受参数范围内运行。单个酶、通路及分子互作的失效可引发细胞缺陷的连锁反应，导致细胞系统中多个重要特征发生广泛功能障碍。因此，细胞进化出防御策略以维持系统内众多特征的稳态（homeostasis），或将系统调整至特定环境所需的新设定点，即异态平衡（allostasis）（Ramsay and Woods 2014）。外部环境变化可直接扰动自由生活微生物的内部稳态，因此它们进化出了保护系统最重要特征（如基因组完整性、细胞结构、氧化还原平衡等）的复杂机制。微生物采用的许多策略在多细胞生物中也高度保守，凸显了细胞保护的普遍目标。
酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）是解析胁迫防御细胞机制的重要模式生物。1990年代末基因组学时代之前，研究者已发现热激、DNA损伤及氧化胁迫后诱导基因表达的多个转录因子（Ingolia et al. 1982; Miller et al. 1979; Moye-Rowley et al. 1989; Slater and Craig 1987; Yoshimoto et al. 2002）。这些响应高度特异于特定胁迫，强化了细胞以特化防御策略应对特定胁迫因子的认知。但同期，旁系同源转录因子Msn2与Msn4（Msn2/4）被鉴定为“通用胁迫”因子，可在多种胁迫下诱导一组基因的表达（Boy-Marcotte et al. 1998; Estruch and Carlson 1993; Korziuk 1977; Martínez-Pastor et al. 1996; Moskvina et al. 1998; Wieser et al. 1991）。通过精细的分子工作，研究者鉴定出约40种依赖Msn2/4活性的胁迫诱导蛋白。由于缺失MSN2/4的细胞对极高剂量的热、渗透或氧化胁迫敏感（Martínez-Pastor et al. 1996），研究提出Msn2/4是保护细胞免受逆境伤害的“通用”防御响应的一部分。然而，在早期阶段，条件特异性防御策略与“通用”防御策略的相对贡献仍不明确。
1.1 ESR的历史与转录组学早期发展
1996年酿酒酵母基因组序列的公布（Goffeau et al. 1996）开启了全基因组研究的新时代，包括开发当时革命性的DNA微阵列技术以表征全转录组响应。最初的微阵列实验报道了数十种条件下数千种转录本的变化，揭示了环境转换后表达上调或下调的基因。但由于对基因功能的了解极为有限，且缺乏处理大型数据集的能力，研究洞察受到制约。直到数据分析与可视化工具的出现（Eisen et al. 1998），才首次实现对系统水平细胞响应的观察，揭示出如今看来不言自明的规律：基因集的表达呈协同变化，这些基因常编码功能相似的蛋白，且共表达基因可指向调控其变化的机制（Brown and Botstein 1999）。
这些工具推动了对未知领域的探索，但早期研究者多聚焦于单一条件响应。直到数据分析软件支持全球尺度的数据集比较，大数据的真正力量才显现出来。通过比较不同响应，既能阐明每种响应的生物学特征，也能揭示不同条件的共同效应。比较的数据集越多样，对表达模块的解析分辨率越高。“更多数据更有益”成为转录组学早期Pat Brown与David Botstein实验室的合作信条（Brown and Botstein 1999）。
最初的分析比较了多种环境转换的时间进程响应，包括热激、氧化胁迫、还原剂、高渗透压、碳氮饥饿及其他突发转换（Gasch et al. 2000），另一项类似研究也报道了重叠环境下的结果（Causton et al. 2001）。ESR通过对这一丰富数据集的分层聚类定义，识别出数十种条件下表达模式相似的多个基因簇。ESR基因集并非严格界定是否属于该响应的基因清单，其表达变化更可作为环境突发恶化的标志，因为细胞回归“最优”生长条件时ESR不会被激活。该程序包含283个胁迫下mRNA丰度升高的基因（诱导型“iESR”基因，部分受Msn2/4调控）及596个mRNA丰度降低的基因（抑制型“rESR”基因）。2017年基于酵母基因组注释的修订，ESR基因总数更新为879个（详见https://gasch.genetics.wisc.edu/）。
编码蛋白的功能立即提示了该响应的胁迫防御属性。iESR基因编码参与多种胁迫防御过程的蛋白，包括氧化还原平衡、蛋白质折叠与降解、碳水化合物与能量代谢、海藻糖与糖原合成等（Gasch 2003）。该组还包含ESR的正、负调控因子，提示存在反馈控制机制（Portela and Rossi 2020; Segal et al. 2003; Smith 1998）。相比之下，rESR组可分为两个表达动力学略有不同的簇：包含159个主要为核糖体蛋白（Ribosomal Protein, RP）基因的RP簇，以及其余437个参与核糖体生物发生、转录翻译及其他生长相关过程的PAC/RiBi簇，后者因富集上游PAC启动子元件（GATGAG）（Dequard-Chablat et al. 1991）及核糖体生物发生相关基因而得名（Gasch et al. 2000; Jorgensen et al. 2004）。rESR基因富含必需基因，多数在无胁迫时高表达，是快速生长所必需的（Gasch 2007）。
iESR与rESR基因在多种胁迫下呈现平行但相反的表达变化，且变化幅度与动力学在不同条件下共变。部分胁迫如突发热激会引发大幅快速的表达变化，而其他转换及渐进式环境变化仅产生微弱响应。此外，相同条件的剂量越高，群体水平检测到的mRNA变化越大（Gasch et al. 2000）。由于ESR表达变化具有剂量依赖性，该常被视为指示细胞所受胁迫水平的变阻器。但需注意例外情况：部分酵母突变体生长极慢却不激活ESR（Kemmeren et al. 2014）；部分胁迫如DNA损伤可导致分裂完全停滞，却仅引起微弱的ESR激活（Gasch et al. 2001）。这些例外的成因尚不完全清楚，提示仅凭转录丰度解读细胞状态需谨慎。
酵母基因删除项目是CRISPR技术普及前首个全基因组突变体库，产生了大量酵母基因功能信息（Giaever et al. 2002; Winzeler et al. 1999）。令人意外的是，多种胁迫处理诱导的基因大多并非生存所必需（Birrell et al. 2002; Giaever et al. 2002）。此外，活跃生长的Msn2与Msn4缺失细胞在单一胁迫处理下iESR诱导严重缺陷，却未表现出生存缺陷（Berry et al. 2011; Berry and Gasch 2008; Kocik et al. 2026）。一致地，短期存活急性杀真菌胁迫并不需要蛋白质合成（Berry et al. 2011; Berry and Gasch 2008; Guan et al. 2012; Hall 1983; Ho et al. 2018）。这些结果强烈提示，转录诱导（包括iESR激活）对单一胁迫下的存活并非必需。
然而，转录诱导（含iESR激活）对耐受串联胁迫处理至关重要。获得性胁迫抗性指细胞经低剂量某胁迫预处理后，可对原本致死剂量的同种或异种二次胁迫产生抗性（?wi?ci?o 2016）。尽管交叉保护涉及条件特异性关系，但共同特征是Msn2/4发挥作用（Berry and Gasch 2008; Kandror et al. 2004; Liang et al. 2023; Scholes et al. 2024）。活跃生长的msn2Δmsn4Δ细胞可轻易存活单一胁迫，但在获得后续胁迫耐受时往往存在严重缺陷（取决于具体条件）（Berry and Gasch 2008）。相反，人工激活MSN2/4的细胞对多种伤害具有抗性（Estruch and Carlson 1993; Sasano, Haitani, et al. 2012; Sasano, Watanabe, et al. 2012; Watanabe et al. 2009），证实iESR在胁迫暴露前的诱导可增强存活。因此，基因诱导（包括iESR基因）可发挥为即将到来的胁迫做准备的作用，足以容纳合成新mRNA与蛋白所需的时间延迟。事实上，这一观点可解释为何早期研究中msn2Δmsn4Δ细胞被判定为高剂量胁迫敏感：部分研究在稳定期培养物中检测胁迫耐受（此时Msn2/4已被双峰转换诱导），另一些研究检测到野生型群体中因Msn2/4随机激活而具有高胁迫耐受性的少数细胞（Boy-Marcotte et al. 1998; Martínez-Pastor et al. 1996）——两种情况均会导致msn2Δmsn4Δ细胞在二次暴露于其他胁迫时表现缺陷。不排除在特定条件下Msn2/4是单一胁迫存活所必需的，但这与获得性胁迫功能可分离。
1.3.2 rESR抑制的目的
转录组学分析也被早期用于解析生长速率响应。初始研究发现ESR激活与营养限制下的细胞分裂及生长减缓相关（Brauer et al. 2008; Castrillo et al. 2007; O'Duibhir et al. 2014; Regenberg et al. 2006; Slavov et al. 2012），由此提出ESR可能不是对胁迫的主动响应，而是生长减缓的间接副产物（生长减缓需减少核糖体生产以支持子细胞生长）。虽然核糖体生产与生长速率常呈正相关，但这种关系并非普遍存在（如翻译抑制剂会降低生长速率却提高RP与RiBi转录本丰度）（Cheng and Brar 2019; Ho et al. 2018; Levy and Barkai 2009; Santos et al. 2019; Shamsuzzaman et al. 2023）。更重要的是，已进入分裂与生物量生产阻滞状态的细胞在遭遇急性胁迫时仍会启动ESR。本研究认为，rESR并非生长速率变化的被动副产物，而是对细胞胁迫的主动响应。
本研究提出，动态rESR抑制的主要功能是帮助细胞利用诱导的转录本合成新蛋白。快速生长细胞中大部分核糖体正参与翻译（Warner et al. 2001），这意味着快速响应时可用来合成新蛋白的核糖体余量极少。由于许多rESR转录本在活跃生长时被高频翻译，它们是翻译核糖体的主要消耗者。然而，截至目前研究的急性胁迫下，mRNA升高与对应蛋白升高呈正相关（Csárdi et al. 2015; Lahtvee et al. 2017; Lee et al. 2011; Liu et al. 2016; Vogel and Marcotte 2012）。一个核心问题是：翻译数百个新表达转录本所需的核糖体从何而来？
本研究提出，随着rESR mRNA丰度下降，核糖体被释放。该模型主要来自对氯化钠处理的详细分析，该处理同时诱导渗透与离子胁迫。与其他胁迫类似，急性盐暴露会激活瞬时的iESR诱导与rESR抑制，之后转录本逐渐适应新的稳态水平（Kocik et al. 2026; Lee et al. 2011）。与诱导mRNA的瞬时变化不同，编码蛋白的丰度持续升高直至稳定（Lee et al. 2011）。建模与模拟支持如下模型：iESR转录本的瞬时过表达通过质量作用竞争加速蛋白合成，这种竞争源于rESR转录本下降后释放的可用核糖体。与该模型一致，缺失RiBi抑制因子Dot6与Tod6（Dot6/Tod6）的细胞在盐处理时无法抑制靶基因，残留的mRNA仍结合核糖体（Ho et al. 2018）。近期研究进一步表明，胁迫后合成的新mRNA（包括dot6Δtod6Δ突变体中的rESR转录本）被标记为可翻译，而 preexisting mRNA被翻译沉默（Glauninger et al. 2025; Zedan et al. 2025; Zid and O'Shea 2014）。异常高丰度的rESR转录本持续结合核糖体，这解释了iESR转录本结合核糖体延迟、编码蛋白合成延迟及后续重度过氧化氢耐受获得延迟的现象（Ho et al. 2018; Kocik et al. 2026; Lee et al. 2011）。尽管该模型是否适用于所有胁迫处理仍需验证，但它解释了iESR诱导与rESR抑制在多种条件下的紧密耦合，这源于两个模块受到精细的共调控（Gasch 2003; Ho and Gasch 2015; Kocik et al. 2026）。
iESR与rESR表达的耦合也可能对平衡启动响应的成本至关重要。缺失MSN2/4的细胞在无胁迫时生长与野生型相当，但在非致死性单一胁迫（包括热、乙醇、酸碱性pH）暴露期间生长快于野生型（Kocik et al. 2026）。本研究提出，Msn2/4响应的成本很可能来自合成数百个新转录本与蛋白的负担，这种成本可能十分显著（Bragg and Wagner 2009; Kafri et al. 2016; Lahtvee et al. 2017）。我们认为这种成本可通过rESR抑制来抵消：缺失DOT6/TOD6的细胞在胁迫前生长正常，但在多种胁迫后生长异常缓慢——除非同时缺失MSN2/4，四重突变体在胁迫后可恢复野生型生长速率（Kocik et al. 2026）。建模提示，启动ESR的成本是获得性胁迫抗性的权衡，这种权衡可能提供了进化选择压力，以维持ESR帮助细胞适应动态环境变化（Kocik et al. 2026; Liang et al. 2023; Pradhan et al. 2021）。该领域的进一步研究将持续拓展与完善这些模型。
1.4 ESR的调控：由特化网络激活的通用响应
尽管ESR表达变化是多种胁迫的共同特征，但该程序的调控并非通过单一机制实现。相反，ESR激活通过条件特异性调控因子与多胁迫响应控制的组合，针对每种条件进行定制。ESR调控涉及多条通路、转录因子及转录后机制，部分已在其他综述中详细阐述（Estruch 2000; Gasch 2003; Kocik and Gasch 2022; Lempi?inen and Shore 2009; Miller et al. 2011; Shalem et al. 2008; Zencir et al. 2020）。下文对ESR调控原则进行高层概述。
多条通路与转录调控因子在多种条件下发挥作用（图2）。在支持快速生长的最优环境中，ESR被生长促进的RAS/蛋白激酶A（Protein Kinase A, PKA）与TORC1通路抑制（Broach 2012; Kocik and Gasch 2022; Rohde et al. 2008）。PKA与TORC1可直接磷酸化Msn2/4与Dot6/Tod6，使其滞留于胞质而无活性（Beck and Hall 1999; Garreau et al. 2000; Lippman and Broach 2009），同时激活rESR基因高表达的正调控因子（Jorgensen et al. 2004; Kumar et al. 2022; Martin et al. 2004; Schawalder et al. 2004; Shore et al. 2021）。多种胁迫处理会快速抑制PKA与TORC1，结合磷酸酶作用移除正调控信号，解除对Msn2/4与Dot6/Tod6的磷酸化抑制，使其转入细胞核调控转录（Besozzi et al. 2012; Düvel and Broach 2004; Garmendia-Torres et al. 2007; Granados et al. 2018; Jacquet et al. 2003; Lippman and Broach 2009; Reiter et al. 2013; Santhanam et al. 2004）。该响应网络在多种胁迫条件下发挥作用，因此可视为ESR激活的“通用”调控部分（尽管Msn2/4与Dot6/Tod6旁系同源物也可发挥条件特异性作用）（AkhavanAghdam et al. 2016; Berry and Gasch 2008; Chapal et al. 2019; Granados et al. 2018; Lippman and Broach 2009）。
在这一调控背景下，条件特异性通路也参与ESR激活，其中iESR基因的调控最为清晰。每条通路通过特异性传感器响应，在协调特化响应的同时也参与ESR调控。例如，HOG1通路影响渗透胁迫下的ESR激活（Capaldi et al. 2008; O'Rourke and Herskowitz 2004），而蛋白激酶C通路响应细胞结构完整性（Gutin et al. 2019; Hirata et al. 2003）。其他还包括DNA损伤激活的ATM/ATR激酶（Gasch et al. 2001）、响应过氧化或乳酸胁迫等多种胁迫的CK2激酶复合物（Cho and Hahn 2017）、响应贫碳源的Snf1（Cho and Hahn 2017; Garreau et al. 2000; Mayordomo et al. 2002）等（Garreau et al. 2000; Lee et al. 2008, 2013; Takatsume et al. 2010）。许多调控因子通过直接磷酸化或未知机制影响Msn2/4激活。除Msn2/4外，每条通路还会激活自身的下游因子以调控条件特异性基因集。最终结果是，ESR调控在不同情境下可由不同的上游激酶介导。这种复杂调控系统的优势在于，既确保ESR激活，又不损害细胞对每种响应条件特异性部分的敏感性与特异性。
细胞还在转录水平定制iESR激活。iESR组高度富集携带上游Msn2/4启动子元件的基因，这些位点在多种胁迫处理后会被Msn2/4结合（Elfving et al. 2014; Huebert et al. 2012; Kocik et al. 2026; Teixeira et al. 2023）。但iESR的子集也受刺激特异性因子调控，在特定伤害下被超诱导。例如，参与氧化防御的iESR基因在多种条件下受Msn2/4调控，但在氧化还原胁迫下会被氧化胁迫因子Yap1超诱导（Gasch et al. 2000）。另一组参与渗透调节物质合成的Msn2/4靶基因，在渗透休克下会被Hot1与Sko1特异性超诱导（Proft et al. 2005; Rep et al. 1999），而ESR中的分子伴侣在热激下会被Hsf1超诱导（Gasch et al. 2000; Lee et al. 2008）。每种条件特异性转录因子还调控额外的非ESR基因，再次体现了条件特异性响应与通用ESR的协同激活。无疑，包括网络水平整合机制在内的更多调控细节仍有待完全阐明。
一个开放问题是是否存在额外的调控输入来定制rESR抑制。RiBi基因的上游调控基序少于平均基因，而iESR与RP基因则较多（Kocik et al. 2026）。有趣的是，Msn2/4在多种胁迫暴露后会结合许多rESR启动子，且是rESR充分抑制所必需的，但其机制功能仍有待功能验证（Chasman et al. 2014; Elfving et al. 2014; Huebert et al. 2012; Kocik et al. 2026; Teixeira et al. 2023）。
条件特异性行为也可通过系统的涌现特性产生，Msn2已成为理解转录解码的模型（Granados et al. 2018; Gutin et al. 2019; Hao and O'shea 2011; Stewart-Ornstein et al. 2013; Sweeney and McClean 2023）。Msn2与Msn4根据胁迫类型与剂量呈现不同的核质穿梭动力学：部分条件导致Msn2持续定位于细胞核，部分产生单次核脉冲，另一些则呈现振荡行为（Bodvard et al. 2011; Hao et al. 2013; Hao and O'shea 2011; Jacquet et al. 2003; Petrenko et al. 2013）。尽管多项研究报道动力学由胁迫类型决定，但不同研究结果并不完全一致，因此调控机制尚未完全明确。尽管如此，不同的动态模式会赋予不同的转录输出，这取决于启动子结构与Msn2/4结合的强度（Hansen and O'Shea 2015, 2016; Hansen and Zechner 2021; Hao et al. 2013; Hao and O'shea 2011; Stewart-Ornstein et al. 2013; Sweeney and McClean 2023）。Msn2也成为理解转录因子如何扫描与识别DNA的模型。除DNA结合相互作用外，Msn2还可通过其固有无序结构域的蛋白互作定位于启动子，不依赖DNA结合（Brodsky et al. 2020; Lupo et al. 2023; Mindel et al. 2024; Vidavski et al. 2025）。这可能解释了为何胁迫期间Msn2/4会结合许多rESR启动子，尽管rESR基因缺乏上游Msn2/4结合位点（Kocik et al. 2026）。其机制细节仍有待阐明。
1.5 遗留问题与未来展望
酿酒酵母是胁迫生物学的早期基因组模型之一，部分原因是它是首个完成测序的真核生物。尽管基因组方法现已适用于多种生物，但酵母仍是无可比拟的研究系统，尤其在胁迫生物学领域。关于细胞用于抵御特定胁迫因子、毒素及疾病建模突变的基因与通路仍存在许多问题。由于防御策略常高度保守，解析酵母中的胁迫靶点具有广泛适用性，从生产耐受毒素的底盘微生物用于生物燃料制造（Dunlop 2011; Xu et al. 2022），到提高敏感珊瑚的耐热性（Barshis et al. 2013; Palumbi et al. 2014），再到应对气候变化下耐药耳念珠菌（Candida auris）感染的管理（Cha et al. 2025; Heaney et al. 2020）。
