过氧化物酶体与真菌有性生殖的关系

卞美云,王 静,王教瑜,* ,陈 杰

(1.浙江农林大学 林业与生物技术学院,浙江 杭州 311300; 2.浙江省农业科学院 植物保护与微生物研究所,浙江 杭州 310021)

过氧化物酶体是一类单层膜包裹的细胞器,普遍存在于各类真核细胞中,内含氧化酶和过氧化氢酶,参与多种生化代谢途径,如脂质代谢、活性氧物质(ROS)分解等[1-4]。过氧化物酶体还是一种重要的信号细胞器,代谢过程中产生多种信号分子,能够调节关键信号蛋白的活性[5]。此外,过氧化物酶体还参与多种生物的细胞发育过程。例如,在模式植物拟南芥中过氧化物酶体参与受精过程中的配子识别[6];在哺乳动物中,参与精子的形成和神经系统的发育等过程[7-8];在布氏锥虫中,参与寄主相关的形态转变[9]。人类细胞中过氧化物酶体功能异常会导致严重的疾病[10-11]。

真菌中的过氧化物酶体除了具有真核生物普遍的功能外,还参与生物素合成以及β-内酰胺类抗生素(如青霉素、头孢菌素等)和真菌毒素(如黄曲霉毒素)的生化代谢[12-14]。此外,过氧化物酶体影响真菌的多种细胞发育过程,如孢子形成、侵染结构(如附着胞发育等)[15]。近年来,关于过氧化物酶体参与真菌有性生殖的研究逐渐也有报道。真菌的有性生殖能提供丰富的变异[16],以产生适应力更强的后代,在遗传重组和生物进化方面起着重要的作用。真菌有性生殖过程较为复杂,分为质配、核配、减数分裂等不同阶段。首先,两个性细胞相互识别进行融合,二者的细胞核合并到同一细胞中,形成双核细胞;然后,两个细胞核结合成一个双倍体的核;最后减数分裂形成有性孢子。研究表明,过氧化物酶体在真菌有性生殖的细胞融合、核分裂和减数分裂等各个过程中均起着重要的作用[17-18]。本文主要对真菌中过氧化物酶体与有性生殖的功能关系研究进行了综述。

1 过氧化物酶体的生化代谢为有性生殖提供营养

真菌有性生殖结构的产生需要营养菌丝提供营养。菌丝细胞中的营养物质主要来自碳水化合物和脂质等储藏物质,或由细胞自噬等过程降解废弃的细胞器和蛋白等物质产生[19]。储藏物质的降解转化能够直接影响子实体的形成,而过氧化物酶体内的生化代谢是这些营养物质降解和转化所必需的[20]。真菌中的脂类物质主要为积聚在脂质体内的三酰甘油酯[21-22]。脂质体起源于内质网,与线粒体和过氧化物酶体密切相关。过氧化物酶体通过突起的结构进入脂质体内部,促进脂质转移到过氧化物酶体中。三酰甘油酯分解释放出脂肪酸,脂肪酸在过氧化物酶体中经β-氧化和乙醛酸循环,然后在线粒体内完成最终降解,从中产生能量并合成发育所必需的中间产物,以此促进子实体的形成[23-24]。

过氧化物酶体的脂肪酸β-氧化参与真菌的有性生殖过程。禾谷镰孢菌有性态(Gibberellazeae)的转录组分析发现,有性发育之前的菌丝中大多数脂类合成相关的基因表达上调,而当子囊壳开始形成时,这些基因表达被抑制;脂类合成基因下调的同时,脂质氧化相关基因表达上调[25]。核盘菌(Sclerotiniasclerotiorum)的子实体来自于菌核,由一个大的杯状结构组成,称为子囊盘。菌核由紧密排列的菌丝聚集组成,外被高度黑化的菌丝,是一种无性结构[26]。菌核中具有丰富的脂质和碳水化合物,为形成子囊盘提供营养。脂肪酸是子囊盘形成所必需的营养物质,脂肪酸β-氧化需要过氧化氢酶(CAT)的参与。研究发现,敲除过氧化物酶体的CAT编码基因PTH2会影响子囊盘的分化,导致突变体的子囊盘无法完全展开[27]。

乙醛酸循环对不同种类真菌有性生殖的影响不同。异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶是两种乙醛酸循环特有的酶。在子囊菌中,如外生菌根真菌白松露(Tuberborchii)的子实体中异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶的活性比营养菌丝中高[28-29];黑松露(Tubermelanosporum)的子实体中乙醛酸循环相关酶基因的表达水平上调[30],表明这两种子囊菌中子实体的发育都与乙醛酸循环相关。在担子菌中,如白腐菌(Flammulinavelutipes)的苹果酸合成酶和异柠檬酸裂解酶在能产生子实体的菌丝中活性显著增高,同时在子实体发育期间苹果酸合成酶的活性继续升高[31],表明乙醛酸循环在白腐菌子实体形成中起着重要作用;然而在褐腐菌(Fomitopsispalustris)中,苹果酸合成酶和异柠檬酸裂解酶仅仅在幼龄菌丝体具有高的活性,随着子实体的形成活性逐渐下降,因此在褐腐菌子实体形成过程中乙醛酸循环的作用不明显[32]。

2 过氧化物酶体影响有性生殖结构的形成

过氧化物酶体形成过程中,参与过氧化物酶体生化代谢的基质蛋白和酶类都在细胞质中合成,然后被转运入过氧化物酶体。这些基质蛋白大多含有过氧化物酶体定位信号(PTS1或PTS2)。参与过氧化物酶体形成的基因称为PEX基因,真菌中PEX基因在有性生殖结构形成过程中发挥重要功能。

在禾谷镰孢菌有性发育过程中,多数过氧化物酶形成相关基因的表达呈现上调,与脂质氧化相关基因的表达模式类似。进一步研究表明,过氧化物酶体参与禾谷镰孢菌的有性发育过程,过氧化物酶体形成缺陷的突变体中子囊壳显著减少[33]。在丝状真菌柄孢霉(Podosporaanserina)中,敲除PTS1受体编码基因PEX5导致突变体子囊壳形成数量减少,且大小发生变化;敲除PTS2受体基因PEX7也会抑制子囊壳的发育[34]。同样地,构巢曲霉(Aspergillusnidulans)PEX5的缺失也会导致闭囊壳减少[35]。而在粗糙脉孢菌(Neurosporacrassa)中,子囊发育的早期就需要过氧化物酶体的参与,敲除过氧化物酶体基质蛋白对接复合体基因PEX14,突变株表现雌性不育,无法产生子囊壳[36]。禾谷镰孢菌无性态(Fusariumgraminearum)中,敲除PEX3的突变体活性氧水平显著升高,分生孢子产量减少,且不形成子囊壳[37]。PEX22、PEX2、PEX12的敲除也会影响禾谷镰孢菌的有性生殖,Δpex22突变体形成的子囊壳数量略有降低[38],而Δpex2和Δpex12突变体子囊壳数量显著减少[39]。在柄孢霉中,过氧化物酶体和线粒体在有性生殖过程中的活性相互关联。过氧化物酶体在有性生殖过程中分裂增殖,此过程受到线粒体动力蛋白Dnm1及其膜受体,如Fis1的调控。敲除FIS1和DNM1均会导致子囊孢子分化异常[40]。

3 过氧化物酶体参与有性生殖信号分子的产生

过氧化物酶体在有性生殖过程中的另一个重要功能是参与性发育信号分子的形成。在真菌中,已经报道的受过氧化物酶体调控的信号分子有脂肪酸衍生的信息素、Velvet家族蛋白、Psi因子和酰基辅酶A结合蛋白Acb1等。

玉米黑粉菌(Ustilagomaydis)是一种引起玉米黑粉病的担子菌,该菌依赖于对寄主的侵染来完成有性生殖过程。黑粉菌通过出芽增殖,进行有性繁殖时改变生长模式从而产生丝状细胞。这种转变首先需要脂肪酸衍生的信息素介导丝状细胞配对识别,进而形成接合菌丝,接合菌丝再通过胞质融合产生双核菌丝,最终双核菌丝在寄主组织中增殖并分化出二倍体冬孢子(休眠孢子)[41-42]。玉米黑粉菌的交配能力也受脂肪酸β-氧化的影响,过氧化物酶体β-氧化缺陷的突变体双核菌丝数量减少,交配能力减弱,冬孢子分化也明显延迟[43-44]。构巢曲霉中,Psi因子是油酸、亚油酸和亚麻酸羟基化产生的次级代谢产物,Psi因子的含量决定了有性和无性之间的平衡。油酸能够刺激闭囊壳的产生并减少无性孢子形成,PEX6基因(编码一种过氧化物酶输出体)的缺失则会抑制油酸形成从而减少闭囊壳的数量,这表明过氧化物酶体代谢通过调控Psi因子的水平进而影响构巢曲霉的有性生殖[45]。此外,毕赤酵母(Pichiapastoris)的酰基辅酶A结合蛋白Acb1是一种分泌蛋白,被过氧化物酶体水解之后能形成信号分子。研究表明,Acb1的分泌是子囊孢子形成所必需的,敲除Acb1的受体蛋白,突变体子囊孢子数量显著减少[46-47]。

4 过氧化物酶体参与减数分裂过程

在子囊菌的有性发育过程中,过氧化物酶体的数量、大小和定位发生规律性的变化。过氧化物酶体的存在和数量体现了真菌不同发育阶段对过氧化物酶体代谢的需求程度。

在柄孢霉中,未受精前的子囊母细胞中仅含有少量沿着有隔膜的菌丝均匀分布的圆形或椭圆形过氧化物酶体[48]。受精后,子囊母细胞中的过氧化物酶体数量显著增加。核融合后,二倍体细胞核进入减数分裂阶段,子囊从10 μm伸长到150 μm以上,而且在新生的子囊中可以观察到数百个过氧化物酶体,且大部分聚集在细胞顶端。在减数分裂前期I结束时,子囊生长到最终长度,过氧化物酶体则沿细胞更均匀地分布;在中期I到子囊孢子形成期间,过氧化物酶体的数量不发生变化;子囊孢子成熟期间过氧化物酶体则显著增加[34,49-50]。此外,有研究发现,柄孢霉的PEX2基因在减数分裂期间起着重要作用,突变体Δpex2的有性发育停滞在双核阶段,无法进入减数分裂期,最终表现为不育[40]。在酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)的有性生殖过程中,相反交配型的单倍体细胞相遇并融合产生合子,合子通过出芽进行无性繁殖,当二倍体细胞营养受限时,经历减数分裂并将其产生的单倍体核包装成子囊孢子。然后在孢子形成期间,经过两次减数分裂,过氧化物酶体被分配到4种细胞产物中[51]。但在这一过程中,过氧化物酶体的数量和分布没有发生显著变化。上述研究表明过氧化物酶体在减数分裂期间起着重要作用,同时其所处的位置对有性生殖也至关重要。

5 过氧化物酶体参与有性孢子形成和释放

在真菌有性生殖过程中,过氧化物酶体参与有性孢子形成和释放,此时过氧化物酶体的数量显著增加,且代谢活跃,促进有性孢子成熟和萌发,以及子囊孢子释放[52]。

有性孢子成熟过程中会发生黑化,黑色素是真菌孢子的重要组分,黑色素有助于孢子细胞壁的硬化[53]。真菌黑色素由乙酰辅酶A或丙二酰辅酶A通过二羟基萘黑色素生物合成途径产生,过氧化物酶体β-氧化可为黑色素生物合成提供乙酰辅酶A[15,54]。柄孢霉的过氧化物酶体的β-氧化缺陷会导致突变体子囊孢子黑色素缺乏,孢子呈现绿色,萌发率降低,且萌发后的菌丝变得脆弱[55-56]。玉米黑粉菌中参与过氧化物酶体β-氧化的蛋白Mfe2编码基因缺失后冬孢子黑色素化延迟,但能有效地萌发[35,43]。粗糙脉孢菌中异柠檬酸裂解酶的缺失、核盘菌中CAT编码基因PTH2的缺失也会影响子囊孢子的萌发[27]。但也有例外,在构巢曲菌中敲除PTH2不会造成子囊孢子的发育缺陷[57],子囊孢子的黑化也不受影响,过氧化物酶体的形成缺陷或乙醛酸循环均不影响其孢子的活力[35]。

子囊菌中,子囊孢子形成后,其余的细胞形成子囊并将子囊孢子包裹其中。子囊孢子成熟后,子囊的顶端产生开口,并在子囊内部的膨压下子将子囊孢子排出[58],这一释放过程需要过氧化物酶体参与。其中,过氧化物酶体影响子囊的发育和子囊孢子的释放。禾谷镰孢菌中过氧化物酶体-线粒体肉碱乙酰转移酶(Cat1)的突变体,子囊和子囊孢子能够正常成熟,但由于子囊内产生的压力不足,子囊孢子聚集在子囊开口处不能有效排出,与野生型相比,子囊孢子的排出量显著减少,同时敲除肉碱乙酰转移酶基因CAT1与CAT2,会加剧上述缺陷。柄孢霉中的PEX7缺失或线粒体β-氧化的缺陷也会导致子囊孢子排出延迟。研究表明,子囊膨压的产生需要消耗大量三磷酸腺苷(ATP)[59-60],而乙酰辅酶A是线粒体产生ATP所必需的。CAT的突变影响乙酰辅酶A的产生,从而最终影响子囊孢子的排出[34,56]。

6 展望

真菌是一个庞大的生物类群,生活方式和繁殖策略都呈现出高度的多样性。过氧化物酶体通过参与多种生化代谢从而影响真菌的生命活动,使真菌能够在各种各样的环境中适应和生存。过氧化物酶体能够协调真菌多项发育过程,如有性生殖。真菌有性生殖依赖菌丝细胞内储藏的脂类物质降解提供能量,而过氧化物酶体内的脂肪酸β-氧化和乙醛酸循环是脂类降解和转化的必需步骤[20]。其次,过氧化物酶体还可能直接参与细胞减数分裂过程。为了满足真菌减数分裂过程中的细胞发育需求,过氧化物酶体大小、数量和位置都发生规律性的变化[48]。此外,过氧化物酶体还参与有性生殖过程中信号分子的形成,敲除过氧化物酶体PTS1相关基因会影响真菌子囊壳的形成[41]。

对不同模式真菌有性生殖的研究,揭示了真菌有性生殖期间过氧化物酶体的重要性,但对于过氧化物酶体在有性生殖过程中具体的作用机制仍亟待进一步研究。第一,有关真菌过氧化物酶体生物发生的机制还不完全清楚,与有性生殖相关的PEX基因功能还有待挖掘;第二,目前国内外对过氧化物酶体在有性生殖过程中的具体作用还不够深入,主要聚焦于脂肪代谢部分,但是过氧化物酶体是否通过其他代谢功能如活性氧稳态、生物素合成等调控有性生殖过程,这些仍然是未知的,需要进一步探究和拓展;第三,过氧化物酶体在有性生殖中的作用因真菌种类而异,其功能在不同真菌性发育中几乎没有明显的共性,需进一步系统地分析比较,以期更全面地明确过氧化物酶体在不同真菌以及不同发育过程中的具体分子机制。以上问题为我们今后的研究带来了新的挑战和机遇。因此,以模式真菌为对象,深入开展过氧化物酶体影响真菌有性生殖与子实体发育期间调控机制研究具有重要的理论和应用意义。