紫檀芪處理對(duì)釀酒酵母基因組表達(dá)變化的影響

葉云+付軍鵬+李祎予+鐘英英

摘要：紫檀芪是存在于葡萄等植物中的天然酚類化合物，具有極強(qiáng)的抗真菌活性。然而，目前關(guān)于紫檀芪對(duì)真菌影響的分子機(jī)制仍是未知；因此，本研究以釀酒酵母為模型，比較紫檀芪處理和對(duì)照釀酒酵母中的基因表達(dá)譜，在基因組水平上探討紫檀芪對(duì)真菌細(xì)胞的影響。結(jié)果表明，經(jīng)紫檀芪處理能使細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞透過(guò)性及跨膜運(yùn)輸?shù)裙δ艿南嚓P(guān)基因表達(dá)上調(diào)，而下調(diào)基因則與堿基代謝有關(guān)，并參與絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，簡(jiǎn)稱MAPK）信號(hào)通路調(diào)控導(dǎo)致細(xì)胞衰老、凋亡。這些基因表達(dá)的改變，可為探討紫檀芪抑制真菌的分子機(jī)制提供一定依據(jù)。

關(guān)鍵詞：紫檀芪；基因芯片；釀酒酵母；差異基因；基因表達(dá)

中圖分類號(hào)：Q786文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）05-0044-02

紫檀芪（3，5-二甲氧基-4′-羥基二苯乙烯）廣泛存在于葡萄、廣西血竭和蜂膠中，是目前研究較多的白藜蘆醇天然衍生物[1-3]。紫檀芪的體外抗真菌特性比白藜蘆醇高5～10倍[4]，然而對(duì)其抗菌分子機(jī)制的相關(guān)研究相對(duì)較少。本研究分析紫檀芪作用釀酒酵母基因芯片數(shù)據(jù)，為了解白藜蘆醇處理對(duì)真菌基因表達(dá)變化的影響，以及為其抗真菌的分子機(jī)制提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1基因芯片數(shù)據(jù)

紫檀芪處理釀酒酵母[WTBX][STBX]S288C[WTBZ][STBZ]細(xì)胞基因表達(dá)譜GSE10554來(lái)源于NCBI的基因表達(dá)數(shù)據(jù)庫(kù)（gene expression omnibus，簡(jiǎn)稱GEO），本研究采用了3個(gè)經(jīng)紫檀芪處理的釀酒酵母[WTBX][STBX]S288C[WTBZ][STBZ]樣本及3個(gè)未處理樣本。該芯片試驗(yàn)平臺(tái)為GPL90，是Affymetrix公司的商業(yè)性芯片，共有9 335個(gè)不同的酵母轉(zhuǎn)錄子，包括已知的6 400個(gè)酵母基因探針。

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

芯片數(shù)據(jù)樣本解壓后放入同一文件夾，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入BRB ArrayTools軟件包，并自動(dòng)生成試驗(yàn)描述符文件。利用軟件包中的Filter工具對(duì)芯片數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾和標(biāo)準(zhǔn)化，采用的過(guò)濾參數(shù)是熒光信號(hào)強(qiáng)度大于200；每張芯片采用中位數(shù)對(duì)整張芯片進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并對(duì)不符合以下標(biāo)準(zhǔn)的基因進(jìn)行濾除：2類樣本的基因中位數(shù)值至少發(fā)生2倍的改變，且這種改變不少于20%的樣本數(shù)；基因表達(dá)數(shù)據(jù)缺失的樣本數(shù)不超過(guò)50%。

1.3差異表達(dá)基因的篩選

采用2陣列組間非配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，找到紫檀芪處理釀酒酵母細(xì)胞及未處理細(xì)胞中的差異表達(dá)基因。篩選標(biāo)準(zhǔn)為 P<0.001，變化倍數(shù)大于2，10 000次隨機(jī)，假陽(yáng)性發(fā)現(xiàn)率 <0.01。

1.4差異表達(dá)基因的功能富集及通路分析

用GOEAST數(shù)據(jù)庫(kù)（http：//omicslab.genetics.ac.cn/GOEAST/index.php）和DAVID（http：//david.abcc.ncifcrf.gov/）在線分析工具分別對(duì)上調(diào)和下調(diào)差異表達(dá)基因進(jìn)行基因功能注釋，了解與這些差異表達(dá)基因相關(guān)的生物學(xué)功能，從而探討紫檀芪作用釀酒酵母的可能分子機(jī)制。同時(shí)，利用京都基因與基因組百科全書(shū)數(shù)據(jù)庫(kù)（Kyoto encyclopedia of genes and genomes，簡(jiǎn)稱KEGG）找到與這些差異表達(dá)基因相應(yīng)的生物學(xué)通路，以便為紫檀芪對(duì)釀酒酵母影響的分子機(jī)制提供思路。

2結(jié)果與分析

2.1差異表達(dá)基因

通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理，共有654個(gè)基因通過(guò)了濾過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，這些基因中進(jìn)行2樣本非配對(duì)t檢驗(yàn)，共獲得236個(gè)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的差異表達(dá)基因，已知其中的132個(gè)基因。這些基因中有77個(gè)表達(dá)上調(diào)，55個(gè)表達(dá)下調(diào)，變化倍數(shù)達(dá)到5以上的基因有81個(gè)，上調(diào)基因中變化倍數(shù)最大的接近290，變化倍數(shù)超過(guò)10的有30個(gè)基因；表達(dá)下調(diào)基因中變化最大的則達(dá)到120倍，變化倍數(shù)超過(guò)10的有10個(gè)基因。

2.2差異表達(dá)基因GOEAST分析結(jié)果

用DAVID和GOEAST等2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行功能注釋發(fā)現(xiàn)，上調(diào)的差異表達(dá)基因主要與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、熱激反應(yīng)、壓力反應(yīng)、細(xì)胞膜透過(guò)性、ATP酶活力、藥物運(yùn)輸?shù)壬飳W(xué)功能有關(guān)；下調(diào)的差異表達(dá)基因則主要與有性繁殖、細(xì)胞增殖、氨基酸運(yùn)輸、細(xì)胞融合等生物學(xué)過(guò)程有關(guān)。KEGG通路分析發(fā)現(xiàn)，下調(diào)基因富集在MAPK、嘧啶嘌呤代謝、鞘氨醇的脫氫反應(yīng)等生物學(xué)通路上，

用的分子表達(dá)變化情況，為進(jìn)一步探討紫檀芪作用于真菌的分子機(jī)制提供了依據(jù)。本研究通過(guò)分析經(jīng)紫檀芪處理釀酒酵母細(xì)胞及對(duì)照的基因表達(dá)譜數(shù)據(jù)，共獲得132個(gè)已知功能的基因，其中77個(gè)基因表達(dá)上調(diào)，55個(gè)基因表達(dá)下調(diào)，表明這些基因的表達(dá)變化可能是紫檀芪抑制真菌活性的主要分子基礎(chǔ)。

通過(guò)進(jìn)一步功能注釋發(fā)現(xiàn)，上調(diào)基因與細(xì)胞膜透過(guò)性、應(yīng)激反應(yīng)等主要生物功能有關(guān)。除此之外，表達(dá)上調(diào)的基因中還有等熱激蛋白家族成員。生物體受到熱激時(shí)，熱激蛋白基因轉(zhuǎn)錄被激活，多數(shù)正常蛋白質(zhì)基因的轉(zhuǎn)錄被抑制，同時(shí)正常溫度下存在的大多數(shù)mRNA的翻譯降低或停止。熱激蛋白的上調(diào)表達(dá)表明，經(jīng)紫檀芪處理對(duì)酵母的生長(zhǎng)產(chǎn)生了環(huán)境脅迫，使其誘導(dǎo)表達(dá)熱激蛋白以抵抗不良環(huán)境。

根據(jù)KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)差異表達(dá)基因進(jìn)行通路分析發(fā)現(xiàn)，下調(diào)基因主要參與MAPK、（神經(jīng)）鞘脂代謝和嘌呤、嘧啶代謝等通路調(diào)控，且往往位于通路的上游：在MAPK信號(hào)途徑中基因[WTBX][STBX]MF（ALPHA）2、GPAL、SET3和SET4[WTBZ][STBZ]均參與了通路中第1個(gè)激酶（調(diào)節(jié)縮氨酸信息素信號(hào)傳導(dǎo)的激酶）的調(diào)控，在該途徑中起著關(guān)鍵的作用。MAPK是細(xì)胞內(nèi)的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，能響應(yīng)各種胞外和胞內(nèi)刺激從而被激活，在多種細(xì)胞過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵性作用，包括細(xì)胞增殖、分化和凋亡等[6]。而上述基因的下調(diào)表達(dá)，使得MAPK活化受到抑制，從而阻止MAPK信號(hào)途徑，促使釀酒酵母細(xì)胞凋亡。有研究表明，經(jīng)紫檀芪處理可以抑制脂多糖激活的神經(jīng)小膠質(zhì)細(xì)胞中的MAPK信號(hào)通路[7]。在（神經(jīng)）鞘脂代謝過(guò)程中，基因[WTBX][STBX]TSC10[WTBZ][STBZ]參與催化鞘氨醇的脫氫反應(yīng)。該反應(yīng)處于鞘脂代謝的上游，對(duì)下游的代謝過(guò)程有著非常重要的作用，而該反應(yīng)所產(chǎn)生的能量也是下游代謝過(guò)程中的主要能量來(lái)源。經(jīng)紫檀芪處理后基因[WTBX][STBX]TSC10[WTBZ][STBZ]表達(dá)下調(diào)了4.17倍，表明紫檀芪對(duì)鞘脂代謝過(guò)程有較強(qiáng)的抑制作用，而鞘脂普遍存在于各種動(dòng)植物細(xì)胞的細(xì)胞膜、細(xì)胞器膜、載脂蛋白和富脂器官中，在細(xì)胞的胞吞、胞飲等細(xì)胞過(guò)程中起著重要作用，而且鞘脂代謝途徑中的一些中間體還是重要的信號(hào)分子，在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞抗逆反應(yīng)以及細(xì)胞的生長(zhǎng)、凋亡、分化、衰老等細(xì)胞基本活動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[8-9]。這些說(shuō)明了紫檀芪對(duì)釀酒酵母細(xì)胞生長(zhǎng)和分化有抑制作用，從而誘導(dǎo)釀酒酵母細(xì)胞的凋亡、衰老。經(jīng)紫檀芪處理后基因[WTBX][STBX]RNR1[WTBZ][STBZ]下調(diào)了7.14倍；另外[WTBX][STBX]POL12、FUR1[WTBZ][STBZ]也分別表達(dá)下調(diào)了4.00倍。由于這些基因?qū)︵堰屎袜奏ごx起著關(guān)鍵作用，它們表達(dá)的下調(diào)導(dǎo)致調(diào)控的通路過(guò)程受到抑制，影響核酸代謝，細(xì)胞生長(zhǎng)受到抑制。

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