eLife︱逯杨/苏畅团队揭示白念珠菌半乳糖代谢信号通路分子机制

撰文︱孙  洵

责编︱王思珍，方以一

编辑︱杨彬薇

在非致病性模式生物酿酒酵母中，半乳糖代谢信号通路（GAL pathway）是可以与lac操纵子相媲美的教科书模型，尽管该通路已经被研究得较为透彻（Gal4-Gal3-Gal80），但在与酿酒酵母亲缘关系较远的真菌中并不保守（如致病性模式生物白念珠菌）。因此研究白念珠菌半乳糖代谢信号通路为代谢调控网络如何同生态位协同进化提供了理论依据，并为真核生物的基因表达调控模式提供了一个经典的范例。

2023年2月1日，武汉大学生命科学学院逯杨/苏畅课题组在eLife上发表了题为“Recognition of galactose by a scaffold protein recruits a transcriptional activator for the GAL regulon induction in Candida albicans”的研究。该研究发现Ndt80家族的转录因子Rep1与半乳糖分子直接结合后，招募转录激活因子Cga1，共同调控白念珠菌半乳糖代谢基因的表达。

长期以来，酿酒酵母半乳糖调控模式被认为是研究真核生物转录调控演化的模式系统，但在其他真菌中，半乳糖代谢信号通路（GAL pathway）仍然未知。白念珠菌作为人类最主要的共生-致病真菌，研究其半乳糖调控模式不仅为代谢调控网络如何同生态位协同进化提供了理论依据，并为真核生物的基因表达调控模式提供了一个经典的范例。

在前期工作中，该课题组发现白念珠菌中转录因子Rep1及Ngs1共同调控N-乙酰葡萄胺的代谢[1],并且有研究表明N-乙酰葡糖胺能够激活白念珠菌半乳糖代谢基因（GAL Gene）GAL1、GAL7、GAL10的表达[2],因此作者推测转录因子Rep1与Ngs1可能在半乳糖信号通路中同样发挥了重要的作用。为了证实这一猜测，作者在以半乳糖为唯一碳源的培养基中检测了REP1与NGS1基因敲除株的生长状况，结果发现与野生型菌株及NGS1基因敲除株相比，REP1基因敲除株有明显的生长缺陷，并且REP1基因敲除株在半乳糖诱导条件下GAL1、GAL10基因的转录水平，与野生型相比，显著降低，而在REP1基因敲除株中回补单拷贝的REP1后，其生长状况及GAL1、GAL10基因的转录水平得到了显著性的恢复（图1）。

为了进一步探寻白念珠菌调控半乳糖代谢基因的分子机制，作者对Rep1蛋白结构进行了预测，结果显示Rep1含有“galectin-like”结构，该结构具有半乳糖结合活性。因此作者设计了pull down及ITC实验，结果显示Rep1在体外能够直接与半乳糖分子相互作用，分子对接的结果显示，第526位的酪氨酸是重要的结合位点（图2 B-E）。随后，作者将Rep1第526位的酪氨酸突变为丙氨酸（Y526A），固体平板生长实验显示，突变株有明显的生长缺陷，且在半乳糖诱导条件下GAL1、GAL10基因的转录水平显著降低（图2 F、G）。这些实验结果表明：Rep1通过与半乳糖分子相互作用调控白念珠菌半乳糖代谢基因的表达。

图1  Rep1是白念珠菌半乳糖信号通路中重要的调控因子

（图源：Sun X, et al., eLife, 2023）

图2  Rep1通过与半乳糖相互作用调控白念珠菌半乳糖信号通路

（图源：Sun X, et al., eLife, 2023）

为了进一步揭示Rep1调控白念珠菌半乳糖信号通路的分子机制，作者设计了酵母单杂交实验，结果显示Rep1并不具有转录激活活性，与之前的报道一致。因此作者推测，Rep1需要招募另一个转录因子共同调控半乳糖代谢基因的表达。为了鉴定出此转录因子，作者在不同碳源条件下体内纯化出Rep1蛋白，并通过质谱筛选出3个候选蛋白（Cga1、Orf19.1772、Orf19.2265），对基因敲除株进行固体平板生长实验及检测GAL1、GAL10基因的转录水平，结果显示Cga1在白念珠菌半乳糖信号通路中发挥了重要作用（图3 D-E）。进一步的体内外Co-IP实验及ChIP实验证实，在半乳糖条件下，Rep1能够直接与Cga1结合，并将其招募至GAL基因的启动子上（图3 F-H）。

图3  Rep1招募Cga1共同调控白念珠菌半乳糖信号通路

（图源：Sun X, et al., eLife, 2023）

图4  Rep-Cga1调控模式仅在CTG Clade中保守

（图源：Sun X, et al., eLife, 2023）

图5  白念珠菌Rep-Cga1半乳糖调控模式模型（图源：Sun X, et al., eLife, 2023）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究发现了，在白念珠菌中，Rep1作为半乳糖的感受器，通过招募转录激活因子Cga1共同调控半乳糖信号通路（图5）。长期以来，酿酒酵母半乳糖调控模式Gal4-Gal3-Gal80被认为是真核生物基因调节的教科书，与酿酒酵母相比，白念珠菌能够以更快的速度响应较低浓度的半乳糖信号，因此白念珠菌中Rep1-Cga1调控模式的发现不仅是对这一经典案例的补充，而且有助于理解白念珠菌如何进化转录程序以适应不同的生态位。酿酒酵母中，半乳糖感受器Gal3在与半乳糖结合后，通过改变蛋白结构与转录抑制因子Gal80相互作用，从而激活下游GAL基因的表达，而白念珠菌中目前尚不清楚Rep1在接触半乳糖信号后如何招募Cga1完成下游基因的激活。并且Rep-Cga1调控模式的保守性在真菌中十分有限，仅在与白念珠菌亲缘关系较近的菌属中保守（图4），因此其他真菌的半乳糖信号通路有待进一步阐明。

原文链接：https://doi.org/10.7554/eLife.84155

欢迎扫码加入岚翰生命科学：文献学习2

群备注格式：姓名-单位-研究领域-学位/职称/称号/职位

往期文章精选【1】Deve Cell︱白晓春/邹志鹏团队揭示RanGAP1表达缺失是染色体不稳定和骨肉瘤快速发生的元凶【2】Cell Metab︱质肽生物团队揭示治疗肥胖的新型双靶点长效融合蛋白【3】Deve Cell︱白晓春/邹志鹏团队揭示RanGAP1表达缺失是染色体不稳定和骨肉瘤快速发生的元凶【4】Cell Metab︱质肽生物团队揭示治疗肥胖的新型双靶点长效融合蛋白【5】Research︱电能细胞生物膜全周期调控：天津大学宋浩团队首次提出导电生物膜全周期调控和构建策略【6】Cell Rep Med︱聂秀/孟斌/全雪萍团队使用自注意力增强的卷积神经网络预测结直肠癌微卫星不稳定性【7】PloS Pathog︱王锡锋团队揭示植物病毒操纵介体昆虫自噬促进持久传播的机制【8】PLoS Genet︱郑道琼/Thomas D. Petes团队合作阐释转座子序列驱动酵母基因组变异规律【9】EMBO Reports︱吴缅/谷皓/邵凤民团队发现血小板型磷酸果糖激酶PFKP作为蛋白激酶调控mESC胚系分化【10】Immunity︱杨庆凯团队揭示机体利用DNA间距离（凝聚程度）识别危险或非我DNA的机制优质科研学习课程推荐【1】多组学联合网络药理学及分子对接与实验验证研讨会（ 2月25-26日，腾讯在线会议）【2】肿瘤免疫与新型细胞死亡课题设计及生信分析研讨会（ 2023年2月25-26日，腾讯在线会议）【3】全国循证医学Meta分析与网状Meta研讨会（2023年3月4-5日，腾讯在线会议）【4】多组学联合网络药理学及分子对接与实验验证研讨会（2023年2月25-26日，腾讯在线会议）【5】高分SCI文章与标书作图（暨AI软件作图）研讨会（2023年2月25-26日，腾讯在线会议）（延期至：3月24-26日）【6】宏基因组与代谢组/脂质组学R软件数据可视化研讨会（2023年2月18-19日，腾讯在线会议）欢迎加入“岚翰生命科学” ”岚翰生命科学“ 诚聘副主编/编辑/运营岗位 (在线办公)
参考文献（上下滑动阅读）

[1] Su C, Lu Y, Liu HP. N-acetylglucosamine sensing by a GCN5-related N-acetyltransferase induces transcription via chromatin histone acetylation in fungi.Nat Commun. 2016;7.

[2] Kamthan M, Kamthan A, Ruhela D, Maiti P, Bhavesh NS, Datta A. Upregulation of galactose metabolic pathway by N-acetylglucosamine induced endogenous synthesis of galactose in Candida albicans. Fungal Genet Biol. 2013;54:15-24.

本文完