破解白念珠菌“隐形杀手”——访中科院微生物研究所黄广华研究员

本刊记者 周珈慧

破解白念珠菌“隐形杀手”
——访中科院微生物研究所黄广华研究员

本刊记者 周珈慧

白念珠菌，提起这个微生物研究领域里的专业名词，很多人都会感到陌生。其实，这个看似陌生的微生物是共生于人体的微生物群落中的成员之一，存在于正常人的口腔、上呼吸道、肠道及阴道中。一般情况下，它是温和无害的，但一旦产生病变，它的危害着实让人不可小视！常被人视为是“隐形的杀手”。

当人体免疫系统受损后，白念珠菌过度生长不仅可能导致浅部感染（如鹅口疮），也可能导致严重的深部感染（如败血症）。白念珠菌深部感染致死率高达40～50%，是HIV感染人群中出现最早、发生率最高的机会性感染，也是威胁艾滋病患者生命的重要因素之一。由于广谱抗菌素的广泛使用，癌症化疗、器官移植和体内导管植入等新的医疗技术的应用，以及我国艾滋病感染人数和老龄人口的增加，导致以白念珠菌为主的真菌感染成为我国临床上日益严重的问题。

在国内外享有盛誉的研究院所——中科院微生物研究所，有一位名叫黄广华的青年研究员，就主要从事白念珠菌形态发生和致病机理研究。这位从西南大学成长起来质朴青年，从开始接触微生物研究领域的那一天起，就从没停止过探索的脚步。先后在中科院上海生命科学研究院生化细胞所硕博连读，获博士学位，并曾在美国艾奥瓦大学生物系David R. Soll教授实验室从事博士后研究工作。2010年起加盟中科院微生物研究所，并建立了白念珠菌功能基因组学研究组。白念珠菌能以白菌和灰菌两种形态存在，而且两种形态之间能够频繁转换。近年来，黄广华博士最突出的研究成绩是成功解决了1987年白-灰形态转换发现以来的困扰该领域的两大难题：一，调控白念珠菌白-灰转换的关键基因是什么？二，主要共生于人体肠道的白念珠菌究竟是利用什么宿主微环境因子，从而达到促进白-灰转换并进行高效率交配的？

解题一：揭秘WOR1小因子的大影响

调控白-灰转换的关键基因是什么？答案是WOR1！

平常健康人体内“性情温和”的白念珠菌何以导致难以治疗的顽症？玄妙就藏在其形态的多样性及不同形态之间频繁转换的能力之中。

2000年，黄广华考取中科院上海生命科学研究院生化细胞所硕-博连读研究生。期间主要从事蛋白工程表达和白念珠菌形态发生的分子机理研究，寒来暑往，埋首科研6年，付出了常人难以想象的辛勤努力和汗水，最终发现了调控白念珠菌白-灰形态转换的关键基因WOR1。

据黄广华介绍，白-灰转换(White-opaque switching)和酵母-菌丝形态转换是白念珠菌多种形态转换系统中最重要的两种。利用白念珠菌和模式生物酿酒酵母菌丝（假菌丝）生长调控信号转导途径的保守性，他们通过功能互补，利用酿酒酵母单倍体f l o8缺失株，从白念珠菌基因组文库中筛选到了WOR1 (White-opaque regulator 1)基因。

在多年工作的铺垫之下，黄广华及研究同事通过Northern杂交实验证明，WOR1基因只在灰菌中表达，在白菌中不表达。WOR1基因这种“全或无”的双稳态表达模式决定了白-灰转换系统的双稳态特征。进一步研究表明，WOR1基因通过一种自身正反馈的机制维持在灰菌细胞中的高水平表达，从而维持稳定的灰菌状态。敲除WOR1基因阻断了白-灰转换，细胞锁定于白菌状态；在野生型菌株中过表达WOR1基因则锁定细胞于灰菌状态。序列分析和染色体免疫共沉淀实验表明，MTLa1/alpha2复合体结合于WOR1基因启动子上，抑制了WOR1基因的表达，从而抑制了MTLa/alpha菌株进行白-灰转换和交配。在MTLa/alpha菌株中上位表达WOR1基因可以促进灰菌细胞形成。这些结果进一步说明了WOR1就是白-灰转换调控的关键基因！

对调控白-灰转换的关键基因的研究解释了白-灰转换的随机性和双稳态特征，也为其他物种（如细菌）中普遍存在的双稳态转换系统研究提供了模板。2006年8月，该研究发表在著名杂志PNAS上，广获业界好评。黄广华也因此为自己打响了科研生涯中的“第一炮”，从而为他今后的在又一次白念珠菌研究上的又一次成功解码埋下了良好伏笔。

解题二：查找“调控专家”CO2和GlcNAc

人体肠道的白念珠菌究竟是利用什么宿主微环境因子，从而达到促进白-灰转换并进行高效率交配的？自白-灰形态转换发现以来，这一问题成为长期困扰白念珠菌研究工作者的难题之一。

2006年，怀揣攀登科研高峰梦想的黄广华凭借出色的表现获取进入美国深造的机会，先后在美国Wistar Institute和美国艾奥瓦大学从事博士后研究工作，这一待就是四年时间。在Soll实验室，黄广华迎来了自己研究生涯中的又一次重大发现：发现两种宿主体内信号分子CO2和乙酰葡糖胺（GlcNAc）在白念珠菌白-灰转换和有性生殖的调控中所起到的重要作用。

有性生殖对于致病真菌的进化和真菌迅速的适应变化的宿主内微环境都至关重要。白念珠菌是一种双倍体真菌，它必须经过白菌到灰菌的形态转换后才能进行交配。然而，体外实验表明，体温（37℃）条件下灰菌非常不稳定，很容易迅速转换为白菌。怎样使得主要共生于人体或其他温血动物肠道黏膜的白念珠菌在生理条件下仍能进行白-灰转换和交配？是一个困惑该领域多年的难题。

CO2不仅是呼吸代谢的终产物，也是一种重要的信号分子。人体肠道CO2浓度是空气中CO2浓度的上百倍。通过实验观察，黄广华及其同事发现生理浓度的CO2可以促进白菌向灰菌转换，并抑制灰菌向白菌转换。这种促进作用部分通过激活Ras-cAMP途径达到的。进一步研究表明，白-灰转换和交配密切相关，高浓度CO2明显提高了白菌细胞交配效率。

之后一段时间，黄广华和当时的团队还发现了另一个白-灰转换诱导因子——乙酰葡糖胺（G l c N A c）。GlcNAc是肠道细菌细胞壁和肠道黏膜的重要组成成分之一。与CO2对白-灰转换的诱导作用不同，GlcNAc主要通过激活Ras1/cAMP途径，从而促进白-灰转换。

通过进一步研究表明，GlcNAc和CO2对灰菌形成的诱导有协同作用。联合使用GlcNAc和CO2将使灰菌形成的诱导作用达到最大化。更重要的是体温（37℃）条件下GlcNAc和CO2也可以促进灰菌形成。

这一系列研究证明了宿主内环境因子GlcNAc和CO2在白念珠菌白-灰转换和有性生殖中起非常重要的作用，揭示了白念珠菌在长期进化中巧妙地利用自身与宿主及其他共生细菌之间复杂的三边关系调控形态的转换和有性生殖过程，为更好地了解该人体病原菌对宿主微环境的适应和进化提供了理论依据，也为真菌有性生殖研究提供了范本。两项成果分别发表在2009年2月的Current Biology和2010年3月的Plos Pathogens上引来国际同行的广泛关注。

2010年11月对黄广华来说有着特殊的寓意，学成归国的他迎来了崭新的起点。凭借中科院“百人计划”启动经费的支持，他在中科院微生物所建立起来的白念珠菌功能基因组学实验室已经初具规模。立足于我国对白念珠菌的形态发生与毒力的分子机制缺乏深入的了解，目前有效抗真菌药物的数量稀少且价格昂贵的局面，他将实验室的目标定为通过深入研究白念珠菌形态和毒性基因调控网络以及该菌与宿主的相互作用，揭示其致病机理，寻找新的抗真菌药物靶点，为药物开发提供理论依据，目前相关工作进展顺利，展现出良好的前景。

新征程，新起点，预示着美好的新希望。面对未来，黄广华踌躇满志，但不盲目自大。正如他所说“白念珠菌研究只我研究万里长征里的一个起点，未来还有更多艰辛的路要走，希望更多有志之士加入到我的团队中来，将这项利国利民的研究之路扩展得更宽，更广，更长。