研究人员在威胁生命的真菌病中追踪遗传因子

大自然有一种巧妙的方式来利用有利的情况。

以 念珠菌为例。这种酵母直到 2009 年才为人所知，但当科学家得知它正在对医院和护理机构中的患者造成危及生命的侵入性感染时，它突然出现了。2019 年，耳念珠菌的危险 非常严重，以至于疾病控制与预防中心将其列为严重的全球健康威胁，理由是酵母菌的传播及其对多种抗真菌药物的耐药性。上个月， 疾病控制与预防中心报告说， 在近一半的州都发现了耳念珠菌

那么，一种简单的、未知的酵母菌是如何突然成为公众健康的敌人的呢?爱荷华大学的生物学家说，部分答案存在于编码粘性或粘附素的基因家族中，这些粘附素似乎是真菌疾病毒力的核心，包括一些威胁人类的疾病。

在一项新的研究中，研究人员报告了一个这样的粘附素家族，称为 Hil 家族，它存在于所有酵母物种的共同祖先中，但在致病物种中的数量要多于良性物种。此外，研究人员发现，一些具有大 Hil 基因家族的致病物种是远亲，这表明具有大 Hil 家族的每个物种都独立进化出家族规模，而不是将基因传递下去。

“我们发现这个基因家族通过致病酵母谱系中的基因复制而特异性地反复扩展，” 生物学系助理教授、该研究的共同通讯作者Bin He说。“此外，它们的序列在复制后迅速进化，可能产生功能多样性，使酵母能够适应复杂的宿主环境。”

适应元素是关键：Hil 基因可能编码使生物体变得粘附的蛋白质。更具体地说，这些蛋白质通过其结构帮助酵母细胞粘附在宿主组织和无生命表面(如导管)上，并将自身缝合在一起，就像互锁的乐高积木一样，形成几乎无法穿透的抗药性壁，称为生物膜.

人们可以说，这是最好的或最邪恶的自然选择。Hil 基因在许多其他酵母物种中不存在或不活跃，例如面包酵母，它们实际上对人类有益(假设人们喜欢面包)。但研究人员发现，在致病性物种中，Hil(Hyr/Iff-like 的缩写)家族非常活跃并且健康，造成了其粘附性破坏。

“这就是趋同进化，”他说。“你找到了在环境利基市场取得成功的方法。”

研究人员对粘附素家族中的蛋白质进行了测序，并搜索了所有其他生物体——包括植物、动物和细菌王国——以找出是否有任何其他物种具有相似的蛋白质序列。他们只在一个地方发现了 Hil 基因家族，即真菌界的一部分酵母菌纲。

分析揭示了另一个重要线索：从分类学上讲，希尔家族突然出现在没有近亲的物种中。例如，Hil 家族在 耳念珠菌 和另一种致病物种 白色念珠菌中存在并活跃。但是，当研究人员针对每个物种观察更密切相关的物种时，Hil 基因数量很低，或者根本不存在。

“这就是平行或独立进化的想法，”何说。“基本上，这些基因达到了相同的最终状态，不是通过下降，也不是通过遗传，而是通过独立进化。他们都采取了相似的进化路径。”

该研究本身源于爱荷华州的研究生生物信息学课程。2019 年秋季，该课程的讲师将课程重点放在 耳念珠菌上，最近对它的 5,000 个基因基因组进行了测序。一个学生小组决定调查 耳念珠菌 对粘性的嗜好。

这是一个明智而富有成果的选择。

“我们根据我们认为可能与使真菌病原体变得粘稠有关的关键字域选择蛋白质，并提出了这组粘附素，”班上的学生 Lindsey Snyder 解释说，他正在攻读 遗传学博士学位 。爱荷华州。“当时，我们正在研究的基因组中报告了两个小的粘附素家族，所以一旦我们意识到这个 (Hil) 家族有多大，我们就非常确定我们发现了一些在这个物种中尚未被表征的东西”

生物学系教授 扬·法斯勒 (Jan Fassler)于 2013 年与生物学副教授阿尔伯特·埃里维斯 (Albert Erives)一起构思了这门课程，他说，讲师会选择文献中的新基因组，并具有有趣的生物学属性。

“我们选择了最近测序的基因组，这样之前的调查就会很少，从而让学生感觉好像他们(并且他们正在)做出新发现，”生物医学科学项目主任和共同通讯作者 Fassler 说。在学习上。

接下来，研究人员想通过实验具体研究 Hil 家族如何让 耳念珠菌 变得粘附。这将推动研究超越识别所涉及的基因，并可能导致医学进步。

“希望在这里：我们已经确定了一个基因家族，它可能在发病机制中发挥重要作用，并且仅限于这组真菌。如果我们能弄清楚如何抑制它，这可能是一个药物靶标，”He 说。

该研究“病原酵母中粘附素家族的平行扩张和分化”于 2 月 16 日在线发表在《 遗传学》杂志上 。

雷切尔·斯莫克 (Rachel Smoak) 于 2022 年在爱荷华州获得土木与环境工程博士学位，并且是研究 Hil 基因家族的研究生小组的成员，是该研究的撰稿人。

国立卫生研究院和国家科学基金会资助了这项研究。