何彬研究组：在危及生命的真菌疾病中追踪遗传因子

生物学家在致病真菌中发现了一种共同的遗传因子，其中一种与美国危及生命的医院爆发有关。研究人员发现了一个基因家族，它在可能导致疾病的真菌物种中独立繁殖并迅速进化。

　　

   

   

图片:爱荷华大学的生物学家在致病真菌中发现了一个共同的遗传因素，其中包括一个与美国医院疫情有关的物种。该图像显示了Hil基因家族编码的蛋白质，这些蛋白质扎根于细胞中，并利用粘性或粘附性将自己附着在导管等医疗设备上，附着在组织上，或创建一种称为生物膜的耐药壁。

大自然有一种巧妙的方式来利用有利的情况。

以假丝酵母菌为例。这种酵母在2009年还不为人知，但当科学家们了解到它会对医院和护理机构的病人造成危及生命的侵入性感染时，它突然出现在了人们的视野中。2019年，金耳锥菌的危险非常严重，以至于美国疾病控制和预防中心将其列为严重的全球健康威胁，理由是这种酵母的传播及其对许多抗真菌药物的耐药性。上个月，疾病预防控制中心报告说，美国近一半的州都发现了金黄色葡萄球菌

那么，一种简单的未知酵母是如何突然成为公众健康的敌人的呢?爱荷华大学(University of Iowa)的生物学家说，部分答案是在一个编码粘性特性的基因家族中找到的，这种基因家族似乎是真菌疾病毒性的核心，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着蛋白家族，称为Hil家族，存在于所有酵母物种的共同祖先中，但在致病物种中比良性物种中数量更多。此外，研究人员还发现，一些具有大型Hil基因家族的致病物种是远亲，这表明每个具有大型Hil家族的物种都是独立进化出家族规模的，而不是基因遗传下来的。

生物学系助理教授、该研究的共同通讯作者Bin He说，“我们发现这个基因家族在病原酵母谱系中通过基因复制而特定地反复扩大，此外，它们的序列在复制后迅速进化，可能产生了功能多样性，使酵母适应复杂的宿主环境。”

适应因素是关键:Hil基因可能编码蛋白质，使生物体成为粘合剂。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的表面(如导管)上，并将自己缝合在一起，就像环环相扣的乐高积木一样，形成一堵几乎不可穿透的耐药墙，称为生物膜。

这是最好的自然选择，或者可以说是最邪恶的自然选择。希尔基因在一些其他酵母物种中要么不存在，要么不活跃，比如面包师酵母，这些酵母实际上对人类有益(假设人们喜欢面包)。但研究人员发现，在致病的物种中，Hil (Hyr/Iff-like的简称)家族非常活跃，并对其粘附性造成严重破坏。

“这就是趋同进化，你找到了在环境利基领域取得成功的方法。”

研究人员对粘附蛋白家族中的蛋白质进行了测序，并搜索了所有其他生物——包括植物、动物和细菌王国——以找出是否有其他物种具有类似的蛋白质序列。他们只在一个地方发现了Hil基因家族，即酵母菌类，真菌王国的一部分。

分析揭示了另一个重要的线索:希尔家族出现在没有近亲的物种中，从分类学上讲。例如，Hil 家族在C. auris和另一种致病物种白色念珠菌中存在并活跃。但当研究人员观察每个物种的亲缘关系更密切时，Hil基因的数量要么很低，要么根本不存在。

He说，“这是一种平行或独立的进化，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。它们都走了相似的进化道路。”

这项研究本身起源于爱荷华州的一门研究生级别的生物信息学课程。2019年秋季，该课程的讲师将课程集中在C. auris上，它的5000个基因基因组最近刚刚被测序。一个学生小组决定调查C. auris对粘性的偏好。

这是一个明智而富有成效的选择。

“我们根据带有关键字的域选择蛋白质，我们认为这些蛋白质可能与真菌病原体的粘性有关，并得出了这组粘附素，当时，在我们研究的基因组中报告了两个小的粘附蛋白家族，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在这个物种中发现了一些还没有被特征化的东西。”

生物系教授Jan Fassler与生物学副教授Albert Erives在2013年构想了这门课程。他说，教师们会选择文献中出现过的、具有有趣生物学属性的基因组。

“我们选择了最近测序的基因组，这样就很少有事先调查，从而让学生们感觉他们(而且他们正在)有新的发现。”

研究人员接下来想通过实验来调查，特别是Hil家族是如何让C. auris成为粘合剂的。这将推动研究的发展，超越识别相关基因的范畴，并可能导致医学进步。

“希望是这样的: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。如果我们能找到抑制它的方法，这可能是一个药物靶点，”He说。

文章标题

Parallel expansion and divergence of an adhesin family in pathogenic yeasts

作者简介：

Our lab is broadly interested in the evolution of gene regulation. An astounding discovery from sequencing genomes is how organisms as different as human and fly, or even yeast, share a significant amount of their genes. This suggests, and has been experimentally shown that, changes in how genes are regulated are a major contributor to phenotypic evolution and adaptation. We study gene regulatory evolution in the context of stress response. Essential for survival, stress response must adapt as species evolve and encounter new challenges. So far this has been understudied and should deserve our attention both for basic understanding of the evolutionary principals, and also for disease and health purposes. One such example is the adaptation of commensal yeast species to the human host, an environment that poses very different stress profiles from what is experienced by their free-living relatives. To learn more about our research, click the button below.