NADPH脱氢酶调控丝状真菌Podospora anserina能量和脂肪酸代谢影响子实体形成的机制研究

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NADPH脱氢酶是一种参与线粒体呼吸链上电子传递的黄素蛋白。它可以通过调节细胞代谢过程中关键组分NADP(H)的含量,从而影响细胞内多种反应的热力学驱动力,并参与多种重要的氧化还原反应和能量代谢过程。子实体的形成涉及外部信号诱导、细胞内信号转导等多种复杂机制,并与细胞内物质能量代谢的转化密切相关。而目前关于NADPH脱氢酶与子实体形成的相关研究较为罕见。为更好了解NADPH脱氢酶功能及其在丝状真菌生长发育过程中的作用机理,我们利用同源重组的方法对子囊真菌Podospora anserina中3个NADPH脱氢酶基因Pa_1_9760、Pa_4_60和Pa_6_6330进行定点敲除,获得3个NADPH脱氢酶单基因突变体nph1△、nph2△和nph3△。并通过异核菌丝的遗传杂交构建了双重突变体nph1△nph2△、nph1△nph3△、nph2△nph3△和三重突变体nph1△nph2△nph3△(nph△△△)。随后在酶活测定、生长观测、子实体发育、抗氧化能力、菌丝还原能力、中央代谢途径和脂肪酸代谢等方面对野生型菌株和各突变菌株进行了比较分析。实验得到以下结果:(1)进化分析表明,三个假定NADPH脱氢酶基因编码的蛋白序列与真菌中的NADPH脱氢酶具有较近的亲缘关系,且所有突变菌株中NADPH脱氢酶活性均有所下降,其中最为明显的nph△△△菌株活性较野生型降低了28%。结果均表明这三个基因确实编码NADPH脱氢酶。(2)NADPH脱氢酶基因缺失菌株与野生型菌株在营养生长、菌落大小、色素沉着、纤维素降解等方面并无显著差异。但NADPH脱氢酶基因缺陷型菌株的子实体数量增加,其中菌株nph△△△的子实体较野生型增加近35%,且对氧化胁迫更加敏感,说明NADPH脱氢酶在P.anserina中具有重要的生理功能。(3)荧光定量PCR(q PCR)的结果显示,突变菌株nph△△△中呼吸链复合物IV表达量降低,而PPP途径和TCA循环中的关键基因如葡萄糖6-磷酸脱氢酶(G6P-DH)和苹果酸脱氢酶(ME)等的表达量却明显上调,表明底物水平磷酸化的增加可以弥补由NADPH脱氢酶基因缺失引起的氧化磷酸化的减少。(4)在NADPH脱氢酶各突变菌株中,作为生物合成反应驱动力的NADPH/NADP+比值相较于野生型均有所升高,特别是nph△△△增加了近一倍,表明NADPH脱氢酶基因缺失菌株体内的还原力增加。(5)脂肪酸合成相关基因如脂肪酸合酶(FAS)的表达上调与脂肪酸降解相关基因如脂酰Co A脱氢酶的表达下调,表明突变体nph△△△中脂肪酸的代谢途径更倾向于脂肪酸合成而抑制脂肪酸降解。而nph△△△菌株在油酸培养基上的生长受到抑制,从侧面进一步证明了NADPH脱氢酶缺失菌株中发生的代谢重编程。以上结果表明,NADPH脱氢酶缺失菌株通过增加底物水平磷酸化将更多的能量和物质用于子实体的形成,以弥补由于NADPH脱氢酶缺失导致的氧化磷酸化降低对菌体造成的损伤,这是P.anserina细胞内的一种保护机制。我们的研究不仅证明NADPH脱氢酶在调节P.anserina体内的相关基因表达、能量代谢平衡、子实体形成等方面具有显著作用,而且为NADPH脱氢酶参与细胞内的氧化防御等潜在调节机制提供了遗传证据。
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