病原真菌中MAPK信号通路的研究进展

刘 帅，陈 晨 

（兰州交通大学化学与生物工程学院，甘肃 兰州 730070）

病原真菌中MAPK信号通路的研究进展

刘 帅，陈 晨

（兰州交通大学化学与生物工程学院，甘肃 兰州 730070）

信号通路对于细胞生理指标变化具有调控功能，不同的信号通路对于细胞行为的影响是不同的。综述了MAPK信号通路在形态建成、细胞生长、胞壁合成以及应答压力等方面的重要作用，并从HOG途径、Mkc1途径、Cek1和Cek2途径，以及Fus3/Kss1-MAPK信号通路和Slt2-MAPK级联通路等方面阐述了MAPK信号通路的研究进展。

病原真菌；MAPK信号通路；细胞行为；研究进展

信号通路是指能将胞外的信号经细胞膜传入胞内的一系列酶促反应通路。胞外信号通过信号通路传导至胞内，使胞内产生一系列生理生化变化，进而引起整个生物体的应答反应。细胞膜上存在着感知外界信号的受体，受体识别胞外信号后，使跨膜蛋白等相关蛋白上的保守氨基酸残基磷酸化或去磷酸化，进而引起逐级级联，将胞外信号按类别分别传递到不同的信号通路上，激活效应蛋白产生各种生理效应。此外，真菌可依靠特定的信号通路控制相关基因的表达，从而影响孢子形成、营养感知及形态建成等生物学过程。因此，对于真菌信号通路方面的研究有着重要的意义。

白念珠菌是常见的机会致病菌，主要侵袭和感染机体口腔黏膜、消化道等处，若人体免疫低下时可引发系统性感染，累及多个脏器[1]。典型的病原真菌有玉米大斑病菌、小麦条锈菌及稻瘟病菌等，这些通常会引起一些病害如条斑病、小麦条锈病、稻瘟病等，在农业生产上常常造成不可估量的损失。白念珠菌和各种病原真菌致病机理均涉及多条信号通路，其中受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路下游的MAPK级联通路至关重要，现选取白念珠菌和病原真菌中的MAPK级联通路作简要综述，以期为相关研究提供有益参考。

1 MAPK级联通路概述

MAPK是一类普遍存在于真核生物中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，主要涉及细胞的信号传导[2]。该信号通路是近年来的研究热点之一，主要元件有MAPKKK（促分裂原活化蛋白激酶激酶激酶）、MAPKK（促分裂原活化蛋白激酶激酶）、MAPK（促分裂原活化蛋白激酶）。作用模式为：外界信号→RTK-Ras蛋白→MAPKKK→MAPKK→MAPK→改变基因表达模式及细胞行为。在真菌的交配、菌丝侵染、附着胞形成、细胞壁完整性、胁迫反应和致病毒力等方面起到非常重要的作用。常见的MAPK级联通路有念珠菌中的HOG途径、Mkc1途径、Cek1途径和Cek2途径。在病原真菌中还存在Fus3/Kss1-MAPK信号通路和Slt2-MAPK级联通路等[3]。

2 MAPK级联通路在不同领域的研究进展

2.1 HOG途径

在白念珠菌中存在高渗透性甘油促分裂原活化蛋白激酶信号转导途径（High-osmolarity glycerol mitorgen-activated protein kinase pathway，简称HOG途径）。该途径的主要作用是调控细胞渗透压、控制细胞形态转换以及促进细胞壁的合成等[4]。HOG途径在真菌和哺乳动物中广泛存在，是适应性应答外界压力的经典途径之一。该途径分为两部分：（1）上游两条感应渗透信号的分支Sln1p、Sho1p；（2）下游保守的三级激酶级联系统。

2017年，张楠等[5]研究发现，Sho1（synthetic high osmolarity-sensitive protein1）是HOG途径上游的一个重要感受器，在不同真菌中常具有不同的功能。在胶孢炭疽菌中获得Sho1同源基因CgSho1。利用同源重组获得该基因的突变型菌株，发现突变型菌株表现出营养生长缓慢、产孢量下降、菌丝稀疏、对氧化压力和渗透压敏感性增强等特征，致病力明显减弱。因此，研究认为CgSho1参与调控胶胞炭疽菌的营养生长、分生孢子产量、氧化应激反应、渗透压响应及致病性等生理过程。

研究橡胶树白粉病菌时发现，Pbs2是MAPK信号通路HOG途径的重要成员之一，在植物病原菌渗透压调节方面发挥着重要作用[6]。采用同源克隆的方法，对OhPbs2基因进行扩增，随后进行生物信息学及系统进化分析，并利用同源重组和原生质体转化技术将该基因转化到橡胶树炭疽菌突变体中，最后用橡胶树叶片检测其致病力。结果表明，OhPbs2可能在病菌营养生长、氧化应激反应、渗透压响应及细胞壁形成等方面具有调控作用，同时对橡胶树炭疽病菌的致病力有着增强作用。

在细胞周期进程的研究中发现[7]，HOG途径中的Hog1在氧化应激时被激活。过氧化氢可以引起细胞周期G1期的瞬时停滞。尽管Hog1 MAPKs的磷酸化可在细胞周期的所有阶段发生，但观察发现该生理过程在G1期停滞之时更加明显。与野生型细胞相比，hog1突变体的磷酸化需要更长的时间，目的是为了便于过氧化氢攻击后细胞的恢复。此外，有过氧化氢存在的条件下，Hgc1（菌丝特异性G1细胞周期蛋白）和Cln3在hog1突变体中表现出不同的表达动力学。这些结果均表明，Hog1不仅响应于氧化应激反应，而且在标准条件下可调节G1细胞周期蛋白的表达，同时还介导响应氧化应激的细胞周期。

2012年，皇幼明等[8]对隐球菌中MAPK途径进行了研究，对于HOG通路而言，主要在应对高渗压力方面起作用，渗透压正常时Hog1基因处于去磷酸化状态，若外界存在高渗压力，则该基因发生磷酸化。此外，该基因磷酸化还与隐球菌的毒力相关。

2.2 Mkc1途径

Mkc1途径又称细胞完整性途径，与酿酒酵母中的Slt2/Mpk1属于同一家族。在白念珠菌中，该途径的调节部分依赖于完整的HOG途径；与突变型细胞相比，野生型细胞表面的甘露聚糖含量存在差别。此外，国外的相关研究观察到一种缺乏p型ATP酶的pmr1突变型菌株，在Mkc1途径处于持续的激活状态时，其细胞表面成分发生了显著变化。这进一步证实Mkc1途径在细胞完整性中的作用[9]。另有研究表明，红细胞中存在Hsp90（热激蛋白90）这种保守的分子伴侣，Hsp90的减少导致Mkc1的不稳定，并且影响Mkc1的激活[10]。Hsp90长期影响细胞的Mkc1、HOG等途径，进而使得细胞适应外界温度，同时对细胞壁重塑过程有调节作用[11]。

国外科研工作者在细胞壁方面的研究指出，酵母细胞壁具有葡聚糖和几丁质构成的基质，可提供拉伸强度和刚性[12]。随着时间和环境的改变，酵母细胞也发生了变化，这是由保守的细胞完整性（Mkc1）信号通路控制的过程。这些MAPK通路调节基因表达，导致新细胞壁的构建。研究发现，在乳酸盐中生长的白念珠菌细胞比在葡萄糖中生长的细胞更耐高渗，并且这种耐性的升高不依赖于Mkc1途径，而大多数细胞死亡发生在渗透压休克的10 min内。细胞体积的突然变小驱动着细胞壁厚度的快速增加。在乳酸盐中生长的细胞，其抗压性与细胞壁弹性相关，体现在高渗发生后细胞体积的变化上；同时，其细胞壁交联酶的Crh家族失活，导致细胞对高渗性休克的敏感性增加。而在葡萄糖中生长的细胞，过表达Crh家族成员使细胞壁弹性降低，以防止高渗性休克，为细胞提供部分保护，同时这些变化与细胞壁结构重排的能力相关。

2.3 Cek1途径和Cek2途径

Cek1途径的作用包括菌丝发生、形态建成和微生物毒力的控制。Cek1活化MAPK通路的转录因子Cph1，Cph1的识别模序是TGAAACA[13]。利用系统敲除，Maiti等[14]证明了Cph1的N端结构为结合DNA功能区域，而C端结构和多聚尾模序（PQ）与转录活性相关。Cph1基因组分析、结合位点分析等表明，Cph1的转录靶点是与线粒体功能以及维持细胞壁结构有关的基因和pH值应答通路的基因[14-16]。

在口咽念珠菌病（OPC）的研究中发现，菌株通过MAP激酶活化来感知周围环境，MAP激酶还可调节一些抗真菌物质的活性，典型的如口腔分泌的杀菌蛋白Hst5[17]。研究发现，N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）或血清通过缺失其磷酸酶Cpp1进行活化，会使白色念珠菌细胞的易感性升高。OPC需要cek1磷酸化以增加对Hst 5的敏感性。通过删除传感器蛋白质Msb2和Sho1或其他途径来干扰Cek1途径，在cek1诱导条件下降低Hst5的敏感性。以上结果表明，Cek1 MAPK的活化与白色念珠菌Hst5敏感性增加之间存在一定的关联。

Francois等发现，Hsp21（热激蛋白21）介导的适应性反应通过调节群体平衡，促使Cek1磷酸化从而适应环境压力[18]。在培养基中稀释稳定期细胞，观察到在随后1～2 h内Cek1磷酸化过程出现峰值，提示MAPK信号通路可由生长信号调节。在此之中，Sho1衔接蛋白控制Cek1的激活，Sho1分支的opy2跨膜蛋白触发Cek1磷酸化，使细胞恢复到稳定生长的阶段，且使得干扰细胞壁合成的化合物增加[19]。因此，认为Cek1通路的上游序列可能是信号传导调控的关键部位[20]。

Cek2途径主要参与菌丝配对的信号传导。CEK2基因与酿酒酵母中交配途径FU53基因具有55%的同源性[4]。有研究证实，CEK2基因对于酿酒酵母fus3/kss1缺失株所产生的交配缺陷具有互补作用[21]，因此Cek2途径对于菌丝配对的信号传导起着重要作用。

2.4 Fus3/Kss1-MAPK信号通路

Fus3/Kssl-MAPK与病原真菌的交配、菌丝生长侵染、孢子生成及致病性相关。以绿僵菌为研究对象[22]，鉴定了Fus3/Kssl的MAPK基因MaMk1（GenBank登录号EFY93607）所编码的YERK1亚家族成员。通过构建MaMk1基因的突变株来研究其在真菌生长、分生孢子产量等方面的功能。结果表明，MaMk1是绿僵菌维持其致病力所必需的。基因表达模式分析显示，MaMk1下调Mad1和Mpl1的表达，但不能降低绿僵菌中Pr1的表达。

在针对小麦条锈菌的研究中[23]，首先确定和表征了小麦条锈菌中的第一个MAPK基因PsMAPK1。系统发育分析揭示，PsMAPK1是属于Fus3/Kssl类的YERK1 MAP激酶。实时RT-PCR分析显示PsMAPK1的表达在早期感染阶段被诱导。此外，禾谷镰刀菌和稻瘟病菌可以用作小麦条锈菌基因功能分析的替代系统。同时，PsMAPK1可能还在渗透和感染生长中发挥作用。

为了明确玉米弯孢叶斑病菌中Fus3/Kss1-MAPK级联途径的作用，对其全基因组中的Fus3/Kss1-MAPK级联途径的相关基因进行鉴定，并且进行了生物信息学分析[24]。从中鉴定出3个蛋白激酶基因Clf、Map2k、Clk1和一个锚定蛋白基因ClSte50。通过蛋白序列和进化树等方面的分析，发现它们分别与其他植物病原真菌Fus3/Kss1-MAPK途径中的激酶蛋白和锚定蛋白具有相似的结构特征和保守结构域，存在较高的同源性。同时，还发现相关蛋白激酶Map2k、Clk1、Clf和锚定蛋白Clste50与其他真菌中的相关蛋白结构相似，这表明它们可能具有类似的功能。

2.5 Slt2-MAPK级联通路

Slt2-MAPK级联通路是与植物病原真菌的细胞壁完整性相关的1条MAPK信号通路[2]，在酿酒酵母和白念珠菌中调节其交配、丝化和毒力[8]。为构建玉米大斑病菌中的MAPK级联途径模型，巩校东等[25]从全基因组水平对玉米大斑病菌（Setosphaeria turcica）进行了MAPK超基因家族鉴定，结果发现基因组中存在4个MAPK基因，系统进化分析将其分为Kss1/Fus3、Slt2、Hog1 及 Ime2总共4 类，这些为深入解析植物病原真菌MAPK相关超家族奠定了基础。

Pujol-Carrion等[26]研究单硫基谷氧还原蛋白时发现，单硫基谷氧还原蛋白Grx3和Grx4与MAP激酶Slt2相互作用，形成参与细胞对氧化应激的复合物。Slt2可独立地结合Grx3或Grx4蛋白形成铁/硫桥连簇。氧化应激条件下，激酶Slt2发生磷酸化，同时半胱氨酸配体中的突变体表现出活性，证明这些相互作用与氧化反应相关。

在Slt2-MAPK同源基因蛋白序列和功能分析中发现，该级联通路相对保守，并且对致病力有影响。例如炭疽病菌的slt同源基因MAF1在菌株侵染植物形成附着胞的初期有作用[27]。麦角菌的mk2在侵染过程中穿透植物表皮时有重要作用，而其突变株对植物的侵染能力则有限[28]。

Mps1是稻瘟病菌中第1个被描述的Slt2-MAPK级联通路中的MAPK[29]。Mps1敲除后，稻瘟病菌虽然可以形成附着胞，但却不能侵染，同时菌株在植物组织内不能繁殖。研究Mps1敲除菌株的细胞壁时发现，突变体的细胞壁强度变弱，对真菌细胞壁降解酶的敏感度增强，且一段时间后出现菌丝自溶现象。上述结果表明，虽然Mps1基因敲除菌株可以正常生长，但会影响菌株细胞壁的强度及完整性，这也从侧面反映了Slt2-MAPK级联通路在细胞壁完整性中的作用。

3 总结与展望

MAPK信号通路在形态建成、细胞生长、胞壁合成以及应答压力等方面起着至关重要的作用。对于真菌MAPK信号通路的研究，目前取得了不少研究成果，如HOG途径主要与抗渗透压、形态转换以及胞壁的合成等相关；MKc1途径主要在细胞完整性方面起作用；Cek1途径的作用主要包括形态发生、菌丝形成以及致病力的控制等；Cek2途径主要参与菌丝配对的信号传导；Fus3/Kssl-MAPK信号通路主要是控制菌丝生长和侵染、交配以及孢子形成等；Slt2-MAPK级联通路是与胞壁完整性相关的信号通路，在酿酒酵母和白念珠菌中还可调节交配、丝化和毒力等。在信号转导过程中，不同通路间存在精确隔离性，进而保证不会导致信号传递紊乱，但是各个途径之间还存在交叉协同作用。

目前，对于MAPK信号通路的研究虽然取得了较大成果，但仍然需要更多的试验来探究其作用的深层次原理。例如，MAPK信号通路与白念珠菌毒力的相关性依然是未来研究的热点。同时，采用分子生物学手段克隆出相关基因，并且利用生物信息学方法对这些基因进行分析，可以对病原真菌的致病原理做出进一步解释，为攻克相关难题提供理论支持。

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Advances in MAPK Signaling Pathway in Pathogenic Fungi

LIU Shuai，CHEN Chen
（College of Chemistry and Bioengineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, PRC）

Signal pathways have regulatory functions for changes of cell physiological indexes, and the effects of different signaling pathways on cell behavior are different. The important roles of MAPK signaling pathway in morphogenesis, cell growth, and cell wall synthesis and response pressure were reviewed. Advances in MAPK Signaling Pathway in Pathogenic Fungi were summarized from HOG pathway, Mkc1 pathway, Cek1 and Cek2 pathway, and Fus3/Kss1-MAPK signaling pathway and Slt2-MAPK China Unicom and other aspects.

pathogenic fungi; MAPK Signaling pathway; cell behavior; research progress

Q936

A

1006-060X（2017）11-0119-04

10.16498/j.cnki.hnnykx.2017.011.032

2017-09-08

国家自然科学基金（31560003）

刘 帅（1992-），男，山东滨州市人，硕士研究生，主要从事资源与环境微生物研究。

（责任编辑：成 平）