顶头孢霉中一个新型的Myb蛋白编码基因AcmybA,APSES转录因子编码基因AcstuA及自噬相关基因Acatg8的功能研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangtingzhi2009
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顶头孢霉(Acremonium chrysogenum)由于能够产生临床上主要的抗感染药物头孢菌素C(CPC)而成为一种重要的工业真菌。我们通过对顶头孢霉T-DNA随机插入突变体的筛选,获得了一株黄色素合成能力减弱的突变株AC554。通过TAIL PCR和real-time RT-PCR我们发现T-DNA的插入导致一个推测含有MybDNA结合结构域蛋白的编码基因(AcmybA)转录量显著提高。我们进一步对AC554菌株表型、CPC产量分析,发现AC554菌株的分生孢子显著减少,同时该菌株几乎丧失了产生CPC的能力,real-time RT-PCR表明AC554菌株中CPC生物合成基因cefEF和cefG的转录量显著降低。我们对AcmybA进行了克隆、序列分析以及对其编码的AcMybA蛋白进行了定位分析,结果显示AcmybA基因全长1019 bp,含有一个内含子,并且在其推测编码蛋白的N端有一个Myb DNA结合结构域。荧光标记显示AcMybA能够专一的定位于细胞核中,说明AcMybA是一个潜在的转录因子。为了进一步研究该基因的功能,我们构建了AcmybA基因高表达菌株(AcmybAOE)、基因敲除菌株(ΔAcmybA)和遗传互补菌株(AcmybAC)。同AC554菌株一样,AcmybAOE的分生孢子产量显著降低,而ΔAcmybA的分生孢子产量比野生型高。转录结果表明AcmybAOE中分生孢子形成的关键基因AcbrlA、AcabaA和AcwetA的转录量降低,而这些基因的转录量在ΔAcmybA中得到提高。当我们在AC554和AcmybAOE中高表达AcbrlA时,分生孢子产量能够得到恢复。结合我们的凝胶阻滞(EMSAs)结果,证明AcmybA是通过间接抑制AcbrlA的表达来抑制分生孢子的形成。在发酵培养基中,我们发现高表达AcmybA能够明显抑制节孢子的产生和菌丝的片段化,而ΔAcmybA能够产生大量的节孢子链(“酵母状”细胞)。高表达AcbrlA的菌株能够产生和ΔAcmybA一样的节孢子和片段化的菌丝。这些结果说明,AcmybA也是通过AcbrlA调控节孢子和菌丝的片段化。此外,我们发现AcmybA能够显著降低头孢菌素C的产量,其对CPC生物合成的抑制是通过降低CPC生物合成基因转录实现的。在发酵后期,AcmybA的敲除使菌丝干重快速下降,我们通过碘化丙啶染色证实AcmybA敲除株的菌丝大量死亡。与此相反,AcmybA高表达株在发酵后期保持旺盛的生长状态,菌体干重持续上升。说明,AcmybA能够抑制细胞分化,促进细胞生长。敲除AcmybA导致菌体过度分化,寿命变短。高表达AcmybA抑制菌体的分化,使菌体保持旺盛的生长状态。  stuA基因是丝状真菌中一个高度保守的发育调控基因。为进一步研究顶头孢霉发育分化和次级代谢之间的关系,我们对顶头孢霉中stuA的同源基因AcstuA进行了功能研究。AcstuA基因含有2个内含子(分别位于翻译起始位点+427到+492和+627到+685)。推测其编码的蛋白AcStuA含有623个氨基酸,理论相对分子质量为66.2 KDa。在位于N端的第113-211个氨基酸区域有一个保守的bHLH DNA结合结构域,且氨基酸序列在真菌中较为保守,与Aspergillusnidulans、Penicillium marneffei和Neurospora crassa中的同源蛋白相似性分别为46%、47%和57%。通过对野生型(WT)、AcstuA敲除突变株(ΔAcstuA)、回补株(AcstuAC)及高表达株(AcstuAOE)的研究发现ΔAcstuA不能产生分生孢子,AcstuAC能够恢复产孢水平,而AcstuAOE产孢增加。与分生孢子产生相对应,ΔAcstuA中AcbrlA和AcabaA的转录量急剧降低,而在AcstuAOE中两者均有所提高。进一步研究发现AcStuA DNA结合结构域能够结合AcbrlA和AcabaA的启动子区。由此可知,AcStuA是通过直接调控AcabaA和AcbrlA的转录来控制分生孢子的产生。通过对WT,ΔAcstuA,AcstuAC及AcstuAOE中头孢菌素C产量分析,我们发现△AcstuA几乎丧失了产生头孢菌素C的能力,而AcstuAOE的头孢菌素C产量与WT无显著差别。对头孢菌素生物合成基因的转录分析发现,ΔAcstuA中pcbAB、pcbC、cefD2、cefD1、cefEF和cefG的转录水平和野生型相比急剧降低。发酵96 h时,ΔAcstuA中pcbAB、pcbC、cefD2、cefD1、cefEF和cefG的转录水平分别为野生型的1/125,1/56,1/44,1/46,1/30。这些结果说明AcstuA通过调控头孢菌素生物合成基因的转录影响头孢菌素的产生。此外,我们还发现ΔAcstuA在发酵过程中菌丝出现异常膨大现象,并且部分膨大的细胞会液泡化并且裂解。当向培养基中加入渗透压稳定剂后,异常膨大的菌丝就会消失,说明ΔAcstuA中细胞壁合成可能出现了缺陷。我们在WT和ΔAcstuA中分析了两个参与细胞壁合成的基因Acmp2和Acmp3的转录,发现ΔAcstuA中这两个基因的转录量显著降低,进一步证明AcstuA缺失能够导致细胞壁合成缺陷。  自噬是真核细胞将细胞质中的长寿命蛋白、受损的细胞器等运送到溶酶体(酵母中为液泡)中进行分解及再利用的过程。通过对顶头孢霉基因组序列分析,成功预测并克隆到一个酿酒酵母atg8的同源基因Acatg8。该基因全长612 bp,含有两个内含子,推测编码一个13.7 KDa的蛋白。我们利用Acatg8成功互补了酿酒酵母atg8的缺失突变株Δatg8,说明Acatg8与酵母atg8基因具有功能同源性。我们通过荧光蛋白定位分析,证实AcAtg8蛋白分布于细胞质和自噬小体上,并且其表达能够被饥饿诱导。电镜照片显示Acatg8的敲除导致细胞无法形成自噬小体,不能进行自噬。进一步研究表明,Acatg8基因缺失突变株的分生孢子产生显著减少,但提高碳源浓度能够部分恢复其分生孢子的产生,而提高氮源的浓度不能恢复其分生孢子产生,说明碳源的平衡对分生孢子形成至关重要。同时我们发现Acatg8的敲除导致顶头孢霉孢子萌发速率减慢,孢子在萌发过程中也有自噬小体的积累,这些结果说明自噬能够促进孢子萌发。我们发现Acatg8基因敲除株的头孢菌素C的产量显著提高,这可能是由于突变株中的CPC合成蛋白PcbC、CefD2以及过氧化物酶体的积累所致。此外,我们发现Acatg8基因敲除株发酵后期干重急速下降,推测这可能是由于发酵后期培养基营养匮乏,并且突变株不能通过自噬进行营养物质循环利用而导致的饥饿性死亡。荧光照片显示Acatg8基因敲除株在发酵后期有大量线粒体的积累,这些线粒体,尤其是那些机能损坏的线粒体能够产生大量的氧自由基(ROS),可能是引起菌体死亡的重要原因之一。
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