参与真菌形态及毒力形成的信号转导通路的研究进展

侯彬彬刘霞张振颖刘晓明（．大连医科大学附属第二医院皮肤科，大连603；．香港大学深圳医院皮肤科，深圳58053）

参与真菌形态及毒力形成的信号转导通路的研究进展

侯彬彬1刘霞1张振颖2刘晓明2
（1．大连医科大学附属第二医院皮肤科，大连116023；2．香港大学深圳医院皮肤科，深圳518053）

【摘要】自然界中，无论单细胞还是多细胞生物，都是通过信号通路与周围环境相互作用来维持自身的稳态和生理状态，真菌也是利用其信号系统来感应外界环境的变化并调控繁殖、发展和毒力，信号转导系统是一个多因素共同参与的极其复杂的过程。真菌通过其信号传导系统（主要有双组份信号传导系统、MAPK信号系统、cAMP⁃PKA信号系统）感受并将变化了的环境信号因子级联传递至细胞内，引起特定的基因表达，参与调控细胞生长、发育、分裂和分化等诸多生理及病理过程，并在基因表达调控和细胞质功能活动中发挥作用。对这些传导通路的了解不仅有助于阐明各通路在病原真菌毒力调控过程中的作用机制，而且还为寻找新的抗真菌药物的作用靶点提供帮助。该文将综述真菌中几种重要信号转导通路的研究进展。

【关键词】真菌形态；毒力；信号转导；通路

1　双组份信号传导系统

双组份信号系统由两个成分组成，包括传感蛋白组氨酸激酶（HPK）和反应调控蛋白（RR），又称组氨酸激酶信号调控系统。传感蛋白激酶通常是跨膜蛋白，由细胞外段、跨膜区和细胞内段组成，细胞内段又由组氨酸激酶区和反应调节区组成。真菌体内多为融合型组氨酸激酶，根据其结构特点可分为11个亚群［1］。不同菌种体内组氨酸激酶的种类、数量和功能均不尽相同。Chun等［2⁃3］发现新生隐球菌融合型组氨酸激酶Tco2包含两个组氨酸KDs和两个反应调节区。酿酒酵母含有单一的SLN1融合型组氨酸激酶，位于细胞膜表面，可以感知细胞外渗透压的变化。敲除SLN1基因后会导致Ypd1和SSK1去磷酸化，增加细胞内甘油水平，激活Ssk2／Ssk22⁃Pbs2⁃Hog1途径，使细胞具有侵袭性。裂殖酵母含有三个融合型组氨酸激酶，Mak1、Mak2和Mak3，缺乏跨膜区，均具有PAS／PAC重复序列，可感受光，氧分压和氧化还原状态的变化。Mak2和Mak3的N端具有特殊的结构特征，即为丝氨酸／苏氨酸，但功能未知［4］。

白念珠菌双组分信号转导系统包括：3个融合组氨酸激酶（HKs：CaSln1p、CaNiklp和CaHKlp），1个含有组氨酸的磷酸转移过渡体（Ypdl P），2个反应调节蛋白（RRs：CaSsk1p和CaSkn7p）。融合组氨酸激酶包括1个保守的组氨酸残基和1个保守的天冬氨酸残基。细胞在等渗环境下，信号由胞膜感受器激酶（Slnlp）上的天冬氨酸残基自身磷酸化，然后传向含单个保守组氨酸残基的中间转移体YpdlP，磷酸化的YpdlP与反应调节蛋白Ssklp或Skn7p相互作用，使其反应调节蛋白接受域的一个保守的天冬氨酸残基磷酸化，从而完成组氨酸天，冬氨酸的磷酸传递过程。Ssklp和Skn7p都包括一个保守的天冬氨酸接受域，根据刺激信号的不同来决定Ssklp或Skn7p的活化。白念珠菌融合组氨酸激酶参与菌丝的生长，因此被认为是白念珠菌的主要致病因子［5］。研究表明sln1p基因突变会导致菌丝毒力降低，Nik1p参与白念珠菌的形态和表型转换［6⁃7］。与Sln1p和Niklp相比敲除HK1p基因会产生严重的菌株缺陷，毒力衰减更明显，但有趣的是，HK1p在sln1p或nik1p的突变体双重缺失后则可恢复白色念珠菌的致病性。

隐球菌拥有七个高度同源的融合组氨酸激酶，命名为TCO1⁃Tco7蛋白［8］。其中，TCO1和TCO2通过激活HOG通路中对细胞起到保护作用。TCO1可感受宿主体内的低氧环境使菌体适应缺氧条件，提高细胞的抗缺氧能力［9］，敲除TCO1的新生隐球菌菌株毒力减弱［8⁃9］。TCO2可增加真菌细胞对过氧化氢和甲基的灵敏度，但不参与交配和黑色素的产生［8］。敲除TCO1的新生隐球菌菌株毒力减弱［8⁃9］。研究发现tco1／tco2双突变体与hog1突变体的表型相似［8］，提示在其他受体感受器介导的信号转导过程中可绕过双组分体系直接激活Hog1的MAPK通路。Tco3⁃Tco7的功能仍不清楚。尽管Tco3结构与红光感应光敏色素同源，其作为光传感器的作用机制仍不清楚。

粗糙脉孢菌、构巢曲霉、烟曲霉分别含有11、15和14个融合性组氨酸激酶。组氨酸激酶主要参与丝状真菌的形态形成和分化，与压力感受无关。构巢曲霉和烟曲霉中均发现了组氨酸激酶TCSB，其结构与酿酒酵母的SLN1类似［10⁃11］，含有两个跨膜区的N末端。构巢曲霉tcsB突变株在应激反应和形态上并未显示出任何变化；烟曲霉的tcsB突变体仅对十二烷基硫酸钠的刺激产生细微变化。与白念珠菌和隐球菌相似，胞内的融合性组氨酸激酶在控制丝状真菌形态发生和分化方面似乎更重要。粗糙脉孢菌的组氨酸激酶Nik⁃1是最早被鉴定出来的丝状真菌的胞内融合性组氨酸激酶。粗糙脉孢菌NIK⁃1＿突变体在高渗条件下菌丝的生长明显异常［12］。构巢曲霉包含数个胞内的融合性组氨酸激酶，其中TCSA（双组分信令蛋白A）组氨酸激酶的N末端包含两个PAS结构域，参与分生孢子的产生，但与分生孢子梗形成无关［13］，在应激反应中亦未见TCSA突变表型的产生。

2　Mitogen⁃activated Protein Kinases（MAPKs）信号通路

MAPKs是众多信号蛋白的一种，参与激活调控一系列的细胞活动。促分裂原蛋白激酶（mito⁃gen activated protein kinase，MAPK）级联反应是细胞适应机制中的重要部分之一。其主要有由三种序列活化激酶组成：首先促分裂原活化蛋白激酶激酶激酶（MAPKKK）激活并活化促分裂原活化蛋白激酶激酶（MAPKK），随后MAPKK激活促分裂原活化蛋白激酶（MAPK）。

MAPK通路在多种真菌中已有研究，酿酒酵母菌中MAPK级联反应至少参与五种信号转导途径：细胞壁的完整性通路、孢子壁的组装通路、菌丝的生长通路、信息素的反应通路、高渗透性甘油通路，分别调节其生长、形态改变、繁殖和应激反应［14⁃15］。有关酿酒酵母的Hog1 MAPK通路研究最为深入组氨酸激酶信号感受器感受到外部的信号后发生磷酸化，并将磷酸根转移到反应调节器中的天冬氨酸，进一步将磷酸根转移到保守的组氨酸的HPT蛋白，HPT蛋白可中继磷酸盐转移到反应调节蛋白的天冬氨酸上。反应调节蛋白作为转录因子可直接激活下游靶基因的表达或启动MAPK Hog1通路。激活反应调节器（磷酸化或去磷酸化）能与抑制域Ssk2／Ssk2⁃MAPKKKs相互作用，使保守的丝氨酸／苏氨酸自身磷酸化。苏氨酸位于MAPKKK，发生磷酸化后激活Ssk2⁃MAPKKK，使位于PBS2⁃MAPKK的保守丝氨酸和苏氨酸残基发生磷酸化，结合Ssk2／Ssk22⁃结合域（SBD）。激活的PBS2⁃MAPKK反过来双重磷酸化位于Hog1 MAPK通路的TGY保守区苏氨酸和酪氨酸。Hog1MAPK的磷酸化易位到细胞核中，诱导防守压力靶基因表达，通过MAPK活化蛋白激酶（MAPKAPKs）或转录因子直接或间接抵消传入环境应力，在高渗透压基因编码蛋白表达的情况下发挥关键作用，如甘油醛⁃3⁃磷酸脱氢酶（GPD1及GPD2）和甘油⁃3⁃磷酸（GPP1和GPP2）的表达。HOG通路进行负反馈调节时，感受压力后Hog1⁃MAPK通路和PBS2⁃MAPKK特定的去磷酸化移出细胞核。

白念珠菌在环境中生存必须适应不同的条件，包括热休克、氧化压力、高渗和低渗、营养物质是否充足等。细胞通过MAPK通路级联的磷酸化过程传递信号。白念珠菌中主要有4条MAPK途径：Mkc1途径、Cek1途径、Cek2途径和Hog途径，其中Hog途径耐受高渗压力和氧化压力等方面起着重要的作用。Hog在Pbs2作用下磷酸化后进入细胞核，调控细胞内积累的渗透物质如甘油［14］，Patrick等［16］认为Hog1控制细胞内甘油的形成对于维持渗透压力具有关键的作用。高浓度活性氧环境是促使真菌在宿主体内进行增殖的因素之一。de Dios［17］认为Hog通路是感受高渗和氧化压力的主要信号通路，并参与调节其他信号传导通路。在白念珠菌中，氧化压力可以激活Hog通路和Mkc1调节通路，与Cek1通路无关。Kelly等［18］用卡泊芬净作用白念珠菌时发现Cap1和Hog通路参与传导渗透压力和氧化压力信号的传递。Alonso［19］证实Hog1MAPK缺陷株对于呼吸链抑制剂有较高的敏感性并出现细胞内活性氧浓度的增加和线粒体的活化，导致ATP产生的增加，提示Hog1途径在调控白念珠菌呼吸代谢方面发挥着重要的作用。

隐球菌的MAPK通路包括HOG⁃MAPK通路、PKC⁃MAPK通路及Ste12转录基因通路［20］。PKC／Mpk1⁃MAPK通路主要调节细胞壁完整性和高温下生长，在新生隐球菌抵抗渗透压、高温、氧化应激和硝酸化等压力中扮演重要角色，也在荚膜和黑素生成中发挥作用。此通路的关键成分包括小GTP结合蛋白Rho1、Pkc1、Bck1（MAPKKK）、Mkk1 （MAPKK）、Mpk1（MAPK），其中Mpk1诱导下游组分影响毒力特征。

隐球菌的MAPK通路在毒力调控方面又具有一些自身独特的表现，类似的MAPK通路在隐球菌与宿主的生存中发挥重要作用，如荚膜合成、形态转换等［21］。研究已证实这些MAPK途径既可特异性的调节相关毒力因子，又与其他途径协同调节细胞壁的完整性、在37℃生长的能力、荚膜与黑素的生成、交配与丝化、以及对高渗应激、氧化应激和紫外线的抵抗。在白念珠菌中，Mkc1（Mpk1类似物）参与维持细胞壁合成和保持细胞壁稳定［21］。在新生隐球菌中也发现类似途径协同参与应对高温反应［22］，该途径的核心成分是Mpk1，参与维持细胞壁的稳定性，是新生隐球菌在37℃下生长的重要影响因子。当隐球菌处于氧化应激等细胞壁受损条件下时，Mpk1被磷酸化激活，激活的Mpk1完全依赖Pkc1发挥压力应对反应。新生隐球菌Mpk1△突变株在小鼠隐球菌病模型中表现出毒力下降［22］和对抗菌药物敏感性的增加［23］。pkc1△突变株对吡咯类抗真菌药物的敏感性增加，提示该途径可能参与新生隐球菌的药物抵抗。Bahn等［24］还发现Bck1△、Mkk1△、Mpk1△突变株都表现出对氧化应激、高温、抗菌药物相似的高敏感性，说明这3种基因处于同一信号传导通路之中。Gerik等［25］发现Pkc1△突变株中，几丁质和壳聚糖的锚定受损。Pkc1△突变株和Bck1△、Mkk1△、Mpk1△突变株的细胞壁都受到损害，但Pkc1△突变株的损害更为严重。另外研究发现，Pkc1△突变株表现出了荚膜缺陷和黑素的减少，而Bck1△、Mkk1△、Mpk1△缺陷株的上述毒力特征并没有受到影响。以上研究表明在Pkc1⁃MAPK通路外，Pkc1还可能通过调节多种信号转导通路或者Pkc1下游存在某种代偿途径来维持细胞壁的稳定，且隐球菌、酿酒酵母菌和白念珠菌的MAPK系统有高度的相似。

3　cAMP⁃PKA信号系统

cAMP⁃PKA是通过细胞外信号与相应受体结合，调节细胞内第二信使cAMP的水平而引起反应的信号通路。该信号系统由质膜上的五种成分组成：激活型／抑制型受体，激活型／抑制型调节G蛋白和腺苷酸环化酶。细胞外信号分子对cAMP水平的调节是依赖腺苷酸环化酶进行的，信号分子促使腺苷酸环化酶的活性发生变化，后者调节靶细胞内第二信使cAMP的水平，进而影响信号通路的下游事件。其中通过活化cAMP依赖的PKA使下游靶蛋白磷酸化，从而影响细胞代谢和细胞行为，这是细胞快速应答胞外信号的过程。另外，通过活化的cAMP信号通路对细胞的基因表达产生影响，为细胞缓慢应答胞外信号的过程。

裂殖酵母菌的cAMP信号通路在糖异生，细胞周期进程，性发育和减数分裂中起重要作用。cAMP信号影响性发展，氮源缺乏时细胞内cAMP水平下降，PKA活性降低，诱导ste11基因的表达，该基因编码性发展表达所需的高迁移率组（HMG）家族介导的转录因子［26］。营养匮乏时，交配似乎是由cAMP途径GA⁃亚基编码介导的，其中Ga亚单位与酿酒酵母的Gpa2p显示出高的序列相似性［27］。与此相反，粟酒裂殖酵母RAS在裂殖时（RAS1基因编码）不影响腺苷酸环化酶，而是通过MAPK级联的交配信息素信号与第二Ga的亚单位蛋白（GPal编码）作用来控制转导的［28］。

cAMP信号通路在隐球菌的交配及毒力中起重要作用，主要涉及到GPal编码的G蛋白α⁃亚单位的功能。GPal基因与U．maydis的GPA3基因具有较高的相似性。新生隐球菌的GPal基因干扰株毒力降低，生长缓慢，黑色素产生减少。导入cAMP后，菌株的包膜形成、黑色素生成及交配能力均明显恢复，表明GPal调节新型隐球菌的cAMP途径中的至少有两个毒力因子。隐球菌cAMP通路中的一个附加组件⁃腺苷酸环化酶（CAC1）也被分离出来，其催化结构域序列与U．maydis uac1基因具有较高的同源型性［29］。

酿酒酵母菌的cAMP⁃PKA信号系统参与调解其形态转换的过程。膜受体蛋白Gpr1和Gpr2感受到环境中营养条件变化的信号，将其传递给小蛋白Ras2和Gpa2，二者又可激活腺苷酸环化酶生成cAMP。PKA全酶含有两个催化亚基和两个调节亚基，共有三个Tpk蛋白编码基因（Tpk1，Tpk2，Tpk3）。调节亚基上有cAMP结合位点，当调节亚基与cAMP结合后，催化亚基呈游离状态，产生了活性，其中Tpk2可促进转录因子的磷酸化，从而促进菌丝的生长，Tpk1和Tpk3对菌丝生长则起着负性调节作用［30］。

4　小结与展望

影响真菌致病性的因素很多，研究参与真菌形态及毒力形成的信号通路对真菌病的防治意义重大。信号转导通路以一系列磷酸化级联反应为特征，调控真菌的致病性、细胞壁合成和完整性、细胞生长、交配及对外界应激的反应。各信号通路系统间差别很大，功能也相对独立，但这些通路之间存在很多交汇。深入探讨信号通路相互协调、相互调控的机制，为生理和病理状态下细胞性状、功能改变的调控机制提供新认识。对信号转导途径的反应分子、作用底物、作用机制及调控机制深入的研究为医药研究、疾病治疗提供了广阔的发展前景，具有重要理论和实践意义。

参考文献

［1］ Catlett NL，Yoder OC，Turgeon BG．Whole⁃genome analysis of two⁃component signal transduction genes in fungal pathogens ［J］．Eukaryot Cell，2003，2（6）：1151⁃1161．

［2］ Maeda T，Takekawa M，Saito H．Activation of yeast PBS2 MAP⁃KK by MAPKKKs or by binding of an SH3⁃containing osmosen⁃sor［J］．Science，1995，269（5223）：554⁃558．

［3］ Posas F1，Wurgler⁃Murphy SM，Maeda T，et al．Yeast HOG1 MAP kinase cascade is regulated by a multistep phosphorelay mechanism in the SLN1⁃YPD1⁃SSK1“two⁃component”osmo⁃sensor［J］．Cell，1996，86（6）：865⁃875．

［4］ Buck V，Quinn J，Soto Pino T，et al．Peroxide sensors for the fis⁃sion yeast stress⁃activated mitogen⁃activated protein kinase path⁃way［J］．Mol Biol Cell，2001，12（2）：407⁃419．

［5］ Yamada⁃Okabe T，Mio T，Ono N，et al．Roles of three histidine kinase genes in hyphal development and virulence of the patho⁃genic fungus Candida albicans［J］．J Bacteriol，1999，181（23）：7243⁃7247．

［6］ Alex LA，Korch C，Selitrennikoff CP，et al．COS1，a two⁃compo⁃nent histidine kinase that is involved in hyphal development in the opportunistic pathogen Candida albicans［J］．Proc Natl Acad Sci USA，1998，95（12）：7069⁃7073．

［7］ Srikantha T，Tsai L，Daniels K，et al．The two⁃component hybrid kinase regulator CaNIK1 of Candida albicans［J］．Microbiology，1998，144（Pt．10）：2715⁃2729．

［8］ Bahn，YS，Kojima k，Cox GM，et al．A unique fungal two⁃compo⁃nent system regulates stress responses，drug sensitivity，sexual development，and virulence of Cryptococcus neoformans［J］．Mol Biol Cell，2006，17（7）：3122⁃3135．

［9］ Chun，CD，Liu OW，and Madhani HD．A link between virulence and homeostatic responses to hypoxia during infection by the hu⁃man fungal pathogen Cryptococcus neoformans［J］．PLoS Pathog，2007，3（2）：e22．

［10］ Du C，Sarfati J，Latge JP，and Calderone R．The role of the sakA （Hog1）and tcsB（sln1）genes in the oxidant adaptation of As⁃pergillus fumigatus［J］．Med Mycol，2006，44（3）：211⁃218．

［11］ Furukawa K，Katsuno Y，Urao T，et al．Isolation and functional a⁃nalysis of a gene，tcsB，encoding a transmembrane hybridtype histidine kinase from Aspergillus nidulans［J］．Appl Environ Mi⁃crobiol，2002，68（11）：5304⁃5310．

［12］ Alex LA，Borkovich KA and Simon MI．Hyphal development in Neurospora crassa：involvement of a two⁃component histidine ki⁃nase［J］．Proc Natl Acad Sci USA，1996，93（8）：3416⁃3421．

［13］ Virginia M，Appleyard CL，McPheat ML，et al．A novel‘two⁃component’protein containing histidine kinase and response regulator domains required for sporulation in Aspergillus nidulans ［J］．Curr Genet，2000，37（6）：364⁃372．

［14］ Posas F，Takekawa M and Saito H．Signal transduction by MAP kinase cascades in budding yeast［J］．Curr Opin Microbiol，1998，1（2）：175⁃182．

［15］ Kayingo G，Wong B．The MAP kinase Hog1p differentially regu⁃lates stress⁃induced production and accumulation of glycerol and Darabitol in Candida albicans［J］．Microbiology，2005，151（9）：2987⁃2999．

［16］ Robbins N，Uppuluri P，Nett J，et al．Hsp90 governs dispersion and drug resistance of fungal biofilms［J］．PLoS Pathogens，2011，7（9）：e1002257．

［17］ De Dios CH，Román E，Monge RA，et al．The role of MAPK sig⁃nal transduction pathways in the response to oxidative stress in the fungal pathogen Candida albicans：implications in virulence ［J］．Curr Protein Pept，2010，11（8）：693⁃703．

［18］ Kelly J，Rowan R，McCann M，et al．Exposure to caspofungin ac⁃tivates Cap and Hog pathways in Candida albicans［J］．Med My⁃col，2009，47（7）：697⁃706．

［19］ Alonso MR，Carvaihlo S，Nombela C，et al．The Hogl MAP kinase controls respiratory metabolism in the fungal pathogen Candida albicans［J］．Microbiology，2009，155（2）：413⁃423．

［20］ Arana DM，Nombela C，Alonso⁃Monge R，et al．The Pbs2 MAP kinase kinase is essential for the oxidative⁃stress response in the fungal pathogen Candida albicans［J］．Microbiology，，151（4）：1033⁃1049．

［21］ Roman E，Arana DM，Nombela C，et al．MAP kinase pathways as regulators of fungal virulence［J］．Trends Microbiol，2007，15 （4）：181⁃190．

［22］ Kraus PR，Fox DS，Cox GM，et al．The Cryptococcus neoformans MAP kinase Mpk1 regulates cell integrity in re⁃sponse to anti⁃fungal drugs and loss of calcineurin function［J］．Mol Microbiol，2003，48（5）：1377⁃1387．

［23］ Kojima K，Bahn YS，Heitman J．Calcineurin，Mpk1 and Hog1 MAPK pathways independently control fludioxonil antifungal sensitivity in Cryptococcus neoformans［J］．Microbiology，2006，152（Pt 3）：591⁃604．

［24］ Bahn YS，Kojima K，Cox GM，et al．A unique fungal two⁃compo⁃nent system regulates stress responses，drug sensitivity，sexual development，and virulence of Cryptococcus neoformans［J］．Mol Biol Cell，2006，17（7）：3122⁃3135．

［25］ Gerik KJ，Bhimireddy SR，Ryerse JS，et al．PKC1 is essential for protection against both oxidative and nitrosative stresses，cel⁃lintegrity，and normal manifestation of virulence factors in the pathogenic fungus Cryptococcus neoformans［J］．Eukaryot Cell，2008，7（10）：1685⁃1698．

［26］ Sugimoto al，Iino Y，Maeda T，et al．Schizosaccharomyces pombe ste11＋encodes a transcription factor with an HMG motif that is a critical regulator of sexual development［J］．Genes Dev．1991，5 （11）：1990⁃1999．

［27］ Kübler E1，Mösch HU，Rupp S，et al．Gpa2p，a G⁃protein alpha⁃subunit，regulates growth and pseudohyphal development in Sac⁃charomyces cerevisiae via a cAMP⁃dependent mechanism［J］．J Biol Chem．1997，272（33）：20321⁃20323．

［28］ Weston C1，Bond M，Croft W，et al．The coordination of cell growth during fission yeast mating requires Ras1⁃GTP hydrolysis ［J］．PLoS One，2013，8（10）：e77487．

［29］ BoyceKJ and Andrianopoulos A．Ste20⁃related kinases：effectors of signaling and morphogenesis in fungi［J］．Trends Microbiol，2011，19（8）：400⁃410．

［30］ Truckses DM，Garrenton LS，Thorner J．Jekyll and Hyde in the microbial word［J］．Science，2004，306（5701）：1509⁃1511．

［本文编辑］ 王 飞

·综述·

［收稿日期］2014⁃02⁃20

作者简介：侯彬彬，女（汉族），博士，住院医师．E⁃mail：houbin⁃bin1001＠163．com；刘霞，女（汉族），学士，主管护师．E⁃mail：765124126＠qq．com

【中图分类号】R 379

【文献标识码】B

【文章编号】1673⁃3827（2015）10⁃0241⁃04