真菌能够产生大量低分子量且具有生物活性的次生代谢产物,如抗生素、色素、激素、生物碱、毒素等,这些次生代谢产物在食品、药品及生物学领域应用广泛,与人类的生活、生产密切相关。目前,真菌次生代谢物的功能调控及其分子机制是研究的热点[1-2]。真菌次生代谢的分子调控是在转录、翻译以及表观遗传等不同水平上由大量蛋白质参与的复杂过程,多种蛋白质和蛋白质复合体协调着真菌的生长发育、次生代谢、形态转换、产毒能力、环境应答和侵染宿主等[3]。天鹅绒(Velvet)蛋白家族是真菌特有的高度保守的全局调控蛋白,有调控作用和核定位功能,是特异性转录因子,可协调真菌的整个生命周期[4]。近几年,Velvet 蛋白家族的功能调控在丝状真菌中得到了广泛研究。
Velvet 蛋白家族是具有Velvet 结构域(含有约150 个氨基酸组成的具有DNA 结合能力的特殊氨基酸区域)蛋白的统称,广泛存在于子囊菌和担子菌中。有研究证实,Velvet 蛋白是全局调控因子,具有高度保守性[5]。Velvet 蛋白家族包括Velvet A(VeA)、Velvet like B(VelB)、viability of spores A(VosA)、Velvet like C(VelC)和Velvet like D(VelD)5 个成员[6-7]。VeA 最早于1965年在构巢曲霉(Aspergillus nidulans)中被发现,是Aspergillus nidulans 有性和无性发育的光依赖调节剂(具有光敏性)[7];2008 年,Bayram 等[8]发现VelB 与Velvet like B-Velvet A-loss of aflR expression A(VelB-VeALaeA)复合体的形成有关。大量研究证明,VeA 和VelB蛋白是许多真菌生长发育、次生代谢和环境胁迫应答的关键调控因子,对细胞壁完整性、细胞表面疏水性、菌丝极性和分生孢子的产生起重要作用[9]。其他Velvet蛋白也对真菌起到了不同层次的调控,其中,VosA 是控制分生孢子萌发、分生孢子中海藻糖生物合成以及无性孢子和有性孢子长期存活的必需品[10];VelC 对分生孢子和闭囊的形成有影响,对表型影响较小[10-11];VelD 在黄曲霉(Aspergillus flavus)和米曲霉(Aspergillus oryzae)中被发现,VelD 的缺失可以阻断黄曲霉毒素(aflatoxins,AFs)B1 的产生,但VelD 在其他真菌中报道较少[12]。VeA 和VelB 蛋白在Velvet 蛋白家族中研究报道较多,深入了解VeA、VelB 蛋白的作用机制对分析Velvet 蛋白调控网络以及鉴定其功能、抑制或激活真菌中沉默基因簇具有较大的参考价值。
VeA 是Velvet 蛋白家族的核心蛋白,在Aspergillus nidulans 中,VeA 蛋白由573 个氨基酸组成,包含150 个氨基酸组成的Velvet 结构域,N 末端的核定位信号(nuclear localization signal,NLS)和核输出信号(nuclear expotr-signal,NES),NLS 可与载体蛋白KapA 相互作用,协助VeA 在细胞质和细胞核之间穿梭,但NES 的作用还未明确,C 末端则含有一个参与蛋白质降解的PEST 结构域,其包含脯氨酸(P)、谷氨酸(E)、丝氨酸(S)和苏氨酸(T),不同种属的VeA(VeA 同系物)具有不同的功能性质[6,13]。VeA 结构图谱如图1 所示[6]。
图1 VeA 结构图谱
Fig.1 Vector map of VeA
1.2.1 VeA 蛋白对真菌形态发育的调控
VeA 与真菌生长、分化、次生代谢、子实体形成以及菌核形成均有关。VeA 对真菌发育的调控依赖于光照,光控制VeA 的核定位功能,抑制VeA 向细胞核的转运[14]。NLS 是VeA 对不同信号反应的基础,由载体蛋白KapA 识别,VeA 作为有性发育的正调控因子和无性发育的负调控因子[15],在光照条件下,VeA 主要存在于细胞质中,可减少和延迟闭囊形成,有利于无性发育;在黑暗条件下,VeA 转运到细胞核,使真菌进入有性发育阶段[7]。
Ve-1 基因的缺失导致粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)气生菌丝缩短、异常分枝和不依赖光的分生孢子数量增加[16]。但在烟曲霉(Aspergillus fumigatus)中,VeA 缺失突变体主要表现为气生菌丝生长,在分生孢子生长茎部的阶段之后无法形成分生孢子[17]。在灰曲霉(Aspergillus glaucus)中,BcVeA 缺失突变株不能形成菌核,抑制无性发育,表现对氧化胁迫敏感等[18]。在尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)中,VeA 和VelB 的缺失抑制了分生孢子的形成,改变了其形态大小[4]。张梦薇等[19]发现超表达VeA 基因会使黑曲霉(Aspergillus niger)菌丝枝节较少,菌丝长度变短,菌丝整体疏散但有更多的分生孢子头,在分生孢子产生和氧化应激耐受性中起着正调控作用。超表达VeA 可以让真菌绕过对VelB 的需求,但超表达VelB 却不能绕过对VeA 的需求,这些结果表明,VeA 蛋白在分生孢子的调控中起主要和主导作用[20]。
综上所述,VeA 基因缺失菌株主要进行无性发育,在不受光照情况的影响下,有性发育明显延迟和减少;相反,VeA 的超表达菌株有性发育增加,产生子实体,使分生孢子减少等,这些结果证实了VeA 蛋白对有性发育起积极作用,抑制无性发育[21]。总之,VeA蛋白作为转录激活剂在真菌生长发育、环境胁迫(光、氧化、盐、渗透压、温度和pH 值等)反应中发挥调控作用,同时,在维持有性孢子和无性孢子形成之间的发育平衡中也起着关键作用[22]。
1.2.2 VeA 蛋白对真菌次生代谢产物的调控
VeA 蛋白对真菌次生代谢产物的影响主要集中在色素和毒素调控方面。研究表明,BcVeA 缺失导致灰霉病菌(Botrytis cinerea)黑色素生物合成的增加[18]。炭曲霉(Aspergillus carbonarius)中VeA 缺失突变株的赭曲霉毒素(ochratoxin A,OTA)生成减少,这主要是由于VeA 的缺失导致参与OTA 生物合成的非核糖体肽合成酶下调[23]。Zhang 等[24]研究发现Aspergillus niger 中VeA 基因的缺失几乎消除了赭曲霉毒素β(ochratoxin β,OTβ)、赭曲霉毒素α(ochratoxin α,OTα)和OTA 的生成,而超表达VeA 基因会导致Aspergillus niger 中OTβ、OTα、赭曲霉毒素B(ochratoxin B,OTB)以及OTA的合成大幅度减少,因此,VeA 既能正向调控又能负向调控OTA 的产生[19]。Aspergillus flavus 中VeA 缺失突变株表现出相关蛋白表达降低,不能产生胶质毒素,阻断AFs 的产生[25],VeA 同源编码基因的缺失抑制了玉米类轮枝菌素和禾谷镰刀菌(Fusarium graminis)对小麦的毒性[26]。有研究表明,缺失VeA1 的荚膜组织胞浆菌(Histoplasma capsulatum)和Fusarium oxysporum 降低了其对免疫抑制小鼠的毒性,FvVE1 对于产生伏马菌素是必不可少的,其中FvVelB 对产生伏马菌素也很重要,但它的缺失并没有完全抑制伏马菌素的产生[27]。
综上所述,VeA 作为全局调控因子,缺失或超表达会影响次生代谢产物色素积累、毒素的生物合成以及核糖体途径等,但由于VeA 蛋白与其他已知功能蛋白没有表现出同源性,多年来VeA 的作用机制一直不为人所知。
在Aspergillus nidulans 中,VelB 蛋白由369 个氨基酸组成,被大约100 个氨基酸分为2 个不连续的Velvet 结构域,较短的Velvet 结构域位于N 端,较长的Velvet 结构域位于C 端,VelB 蛋白不含NLS,其在细胞质与细胞核间转运依赖VeA 或VosA 蛋白[6,11]。VelB结构图谱如图2 所示,Aspergillus fumigatus 中AfuVelB的N 端和C 端分别包含motif 1、motif 2 和motif 3 三个保守区域,不同的VelB 在不同真菌中的结构和功能可能存在差异[12]。
图2 VelB 结构图谱
Fig.2 Vector map of VelB
2.2.1 VelB 蛋白对真菌形态发育的调控
VelB 缺失突变株生长速度减缓,不能产生菌核[6,18]。在Aspergillus nidulans 中,VelB 应对氧化胁迫的贡献远高于VeA[28]。VelB 在控制分生孢子大小和疏水性方面具有重要作用[29]。研究表明,Aspergillus niger VelB 缺失突变株分生孢子的数量减少,与野生型相比,超表达VelB 菌株无性孢子的产量增加2 倍[30]。FvVelB 基因对轮生类真菌形态正常发育以及维持轮状硅藻细胞的正常疏水性至关重要[25]。在Aspergillus fumigatus 中,基因AfuVelB 的缺失导致分生孢子的活力下降,海藻糖含量减少(海藻糖是真菌耐受各种压力的必需品,在糖酵解、孢子成熟和萌发中也发挥重要作用),分生孢子对氧化和紫外线胁迫的耐受性下降[31]。寡孢子虫AoVelB 基因的缺失导致其在不同培养基上的生长缺陷,突变株的气生菌丝数量和菌落密度均低于野生菌株,且出现严重的产孢缺陷,产孢相关基因(如abaA、flbC、rodA 和VosA)的转录量与野生菌株相比明显下降[32]。在Fusarium graminis 有性发育条件下,FgVelB 的缺失会引起突变株气生菌丝减少,只产生分生孢子,不产生子实体[33]。因此,VelB 是无性发育的正调控因子,且在大多数真菌中VelB 均具有类似功能。
2.2.2 VelB 蛋白对真菌次生代谢产物的调控
VelB 影响真菌毒素的产生、胶质毒素的生物合成和海藻糖的生物合成,缺失VelB 的Aspergillus flavus菌株无法产生致癌的AFs[20]。与野生型株相比,寡孢子虫AoVelB 突变株胞外蛋白的水解活性降低,3 个丝氨酸蛋白酶(毒力因子)基因(215g702、78g136 和54g992)的转录量明显下调[32]。Lee 等[33]研究表明,FgVelB 缺失使禾谷镰刀菌(Fusarium graminearum)的色素沉积减少,这与产生金褐素相关的PKS12 基因簇的下调有关;FgVelB 在毒素诱导条件下是单端孢霉烯(trichothecene)产生的激活剂,而FgVelB 在有性发育条件下是Fusarium graminearum 产生毒素(孢霉烯)的抑制剂。Aspergillus fumigatus 中,VelB 不仅能形成VeA-VelBLaeA 复合体,也能形成VelB-VosA 异质复合体,VelB的缺失导致菌株孢子的海藻糖含量和活力降低50%[34]。在Botrytis cinerea 中,VelB 缺失突变菌株的色素沉积增加,对菜籽叶、葡萄果实以及梨的毒性降低[18,35]。VelB是适当下调细胞壁生物合成基因(包括与β-葡聚糖合成相关的基因)所必需的蛋白,VelB 的缺失导致β-葡聚糖在无性孢子中的积累增加[36]。综上所述,VelB 蛋白会影响真菌色素沉积、毒素的生物合成,且大多数丝状真菌均存在全局调控因子VelB,VelB 能同时调控两个或多个次生代谢产物生物合成基因簇,是真菌毒素的正调控因子[37]。
在Aspergillus nidulans 中,VosA、VelD 与VeA 一样,在N 端含有Velvet 结构域,VosA 蛋白由430 个氨基酸组成,N 末端含有假定的NLS,而与海藻糖生物合成紧密相关的转录激活结构域(transcription activation domain,TAD)位于C 末端。VelC 蛋白由524 个氨基酸组成,具有C 端Velvet 结构域,结构域中含有一个与VeA 蛋白中相似的PEST 结构域[6,12]。Eom 等[12]首次公布VelD 蛋白由302 个氨基酸组成,N 末端含有一个Velvet 结构域,VosA、VelC、VelD 蛋白的结构图谱见图3。
图3 其他Velvet 蛋白家族结构图谱
Fig.3 Vector map of other Velvet protein family structural maps
Velvet 蛋白家族中VosA 和VelB 作为真菌生长发育和次生代谢的调节剂,控制大多数真菌分生孢子的萌发、成熟、休眠以及分生孢子的海藻糖含量,而海藻糖是对抗各种环境压力的重要保护剂,VosA 和VelB的缺失加速了分生孢子的萌发,降低了Aspergillus fumigatus、Aspergillus flavus 分生孢子海藻糖的含量以及分生孢子对氧化胁迫、热胁迫和紫外线胁迫的耐受性[10,12]。可见VosA 和VelB 在孢子的海藻糖生物合成和逆境耐受性中均是必需的,它们在真菌发育过程中发挥着相似但不同的作用,在孢子成熟过程中发挥着相互依赖而非叠加的作用[30-31]。在发育过程中VelB 的作用比VosA 更为广泛,表明VelB 在性发育中的地位高于VosA。
在Aspergillus nidulans 中,VelC 的mRNA 在性发育的早期积累,是性发育的正向调节因子,VelC 的缺失导致分生孢子数量增加、有性子实体产生减少,同时控制无性产孢顺序激活的brlA、abaA、wetA 和VosA 基因的mRNA 水平增加。而VelC 过表达导致闭囊形成增加,且VelC-VosA 双缺失突变体产生的闭囊较少,表现与VosA 缺失突变体相似,表明VosA 在性发育中对VelC 是上位性的,VelC 可能通过在特定生命阶段与VosA 相互作用来调节对性的控制[11]。
在Aspergillus flavus 中,VelD 与VosA 缺失突变体的分生孢子海藻糖含量和抗逆性与野生分生孢子相比没有变化;VosA 缺失突变株可以产生AFs,VelD 缺失突变体在黑暗条件下不能产生AFs[12]。以上结果表明,Velvet 调节因子在真菌孢子发生、分生孢子海藻糖的产生、胁迫耐受和毒力调控等方面发挥着保守而重要的作用。
无论是VeA 还是VelB 的缺失均会导致有性子实体的形成,而无法进行性发育,在光照控制和次生代谢物的产生上出现缺陷[34]。不同真菌中的Velvet 蛋白会相互形成不同的蛋白复合体来实现不同的功能,也可以与某些非丝绒蛋白产生复合体,协作调控真菌的生长发育和次生代谢。
在Aspergillus nidulans 中,性发育和次生代谢的调控已被证明是一个由异质三聚体协调的光调控过程,该复合体由Velvet 蛋白VeA 在细胞核中与甲基转移酶LaeA 相互作用,与VelB 诱导性发育,形成VelBVeA-LaeA 异质三聚体,通过参与染色质重塑的表观遗传控制和蛋白表达来协调真菌有性发育和次生代谢物的生物合成[8,38]。而异质复合体VelB-VeA-LaeA 确定了真菌对光有反应的次生代谢机制(包括无性发育和有性发育),光有利于真菌的无性发育,使分生孢子的产生上调。黑暗下,真菌需要VelB-VeA-LaeA 来促进有性发育[35]。后续研究表明,在Aspergillus flavus、Aspergillus niger、Aspergillus fumigatus 等 真 菌 中,VeA、VelB 和LaeA 之间的相互作用与Aspergillus nidulans中VelB-VeA-LaeA 异质复合体一样保守。
Bayram 等[39]在Aspergillus nidulans 中发现光可以控制红光受体fungal phytochrome of Aspergillus nidulan(FphA)、蓝光受体白领蛋白(white collar,WC)的同源物light respons(LreA/B)以及Velvet 蛋白VeA 来形成光受体复合体LreA-LreB-FphA-VeA。白光照射时,可以抑制细胞质内VeA 的表达,进入细胞核内的VeAVelB 减少,VeA-VelB-LaeA 异质三聚体也随之减少,抑制了次生代谢产物的产生,黑暗条件下反之。当只有红光照射时,形成的FphA 无法形成LreA-LreB-FphAVeA,大量VeA-VelB 进入细胞核内形成VeA-VelBLaeA,促进次生代谢产物的合成[40]。
在Aspergillusnidulans 中,VeA 在细胞质中与VelB、VelC 相互作用形成VeA-VelB(是VelB 进入细胞核的主要途径)和VeA-VelC 两种异质二聚体[32-33],在细胞质和细胞核中也会形成VelB-VelB 同质二聚体。在有性发育中,VeA-VelB 异质复合体与LaeA 相互作用是产生真菌毒素(sterigmatocystins,ST)所必需的[40]。而López-Berges 等[29]提出VeA-VelB 和VeA-VelC 异质复合体在分生孢子大小的确定中具有相反的作用:VeA-VelB 阴性,VeA-VelC 阳性。综上所述,VeA-VelB异质复合体调控真菌性发育的分子机制尚未明确,VeA-VelC 异质复合体与VelB-VelB 同质复合体的报道也较少,故Velvet 蛋白家族复合调控的分子机制仍亟待探索。
VelB 与VosA 形成的第二个光调控异质复合体VelB-VosA,是抑制无性发育、控制孢子成熟、海藻糖合成、分生孢子反馈调控以及分生孢子对环境胁迫耐受性的关键功能单位,严格控制着无性孢子和有性孢子中β-葡聚糖合成的适当水平[12,36]。总之,VelB 通过与VosA 相互作用,在无性发育中发挥正向调控作用。由此可以推测,在不同真菌中多功能调控因子VelB 与其他丝绒调控因子的相互协调作用是真菌细胞反应的关键决定因素,虽然产生的复合体结合序列和亲和力不同,但它们都能控制丝状真菌的生长发育和次生代谢[22,31]。因此,真菌的发育受多种调控转录因子以及多种蛋白复合体的调控。
Ahmed 等[38]研究表明,NF-κB 型丝绒转录因子调控真菌分化和细胞代谢的某些靶基因。现今有更多的研究也转向了由Velvet 蛋白抑制或激活的发育基因。例如:Kim 等[41]鉴定了VosA/VelB 抑制的发育基因vidA,vidA 的缺失导致菌落直径变小,无性孢子产生减少,有性子实体形成异常。此外,vidA 缺失突变体分生孢子中海藻糖和β-葡聚糖含量均高于野生型。Park 等[42]对VosA/VelB 激活的发育基因vadA 进行了表征,发现vadA 缺失突变体分生孢子的海藻糖含量、生存力以及抗氧化能力均降低,β(1,3)-葡聚糖含量增加;此研究还进一步证明了vadA 缺失突变体增加了真菌毒素杂色曲霉素(sterigmatocystin,ST)的产量。Son 等[43]表征了Aspergillusnidulans 中VosA/VelB 抑制的发育基因vidD,vidD 缺失突变体表现出真菌生长缺陷、分生孢子数量减少和有性子实体的形成延迟。vidD 的缺失降低了分生孢子的海藻糖含量及其分生孢子的活力,增加了其对热应激的敏感性。此外,vidD 的缺失导致ST 产生上调。以上研究均表明,这些被抑制或激活的发育基因是一些具有双重功能的新型调节剂,在调控真菌的正常生长、无性和有性发育以及分生孢子的形成方面发挥着关键作用,甚至部分发育基因还与霉菌毒素的产生有关,而这些抑制或激活的发育基因有望挖掘出新型化合物,可为进一步探索Velvet 蛋白家族调控真菌次生代谢产物的生物合成通路提供参考。
丝状真菌基因组中还存在很多参与神秘复合调控的隐性次生代谢基因以及基因簇,具有发现新型抗生素及其他药物(如抗肿瘤药物)的潜力[44]。真菌适应生态环境和成长周期的需要使其他调控因子与Velvet蛋白家族组合或分离,形成庞大未知的谜题,迄今为止,只有一小部分微生物和其调控因子被发现。真菌的生长发育和次生代谢与真菌特异性VeA、VelB 以及各类调控蛋白的活性密切相关,不同的真菌种属通常会产生不同的天然次生代谢产物,这些已知和未知的基因、基因簇所产生的次生代谢产物形成了一个巨大的未开发宝库,这些产物在人类生活中担起药物填充者、环境回收者、食品发酵者、工业生产者和农业辅助者等重要角色。但由于真菌次生代谢产物的功能在很大程度上是未知的,现今尚不能预测控制其合成的调控网络,也不能在合理的基础上制定抑制或激活其生物合成的策略。研究真菌关于VeA、VelB 以及各类调控蛋白调控次生代谢的分子调节机制,将为激活沉默基因簇、挖掘新化合物、减少因霉菌毒素带来的经济损失、提高有益次生代谢产物的产量以及让人们拥有控制真菌的能力奠定基础。不断探索Velvet 蛋白家族和其他调控因子的作用机制,拓展蛋白复合体的全局调控网络是研究的热点和主要方向。
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