粟酒裂殖酵母中ppr基因缺失引起細(xì)胞絮凝的機(jī)制研究

張 娟

(南華大學(xué) 生藥學(xué)與生物科學(xué)學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001)

酵母的無(wú)性絮凝是一個(gè)可逆的、鈣離子依賴性的過(guò)程[1]。當(dāng)絮凝現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，成百上千的細(xì)胞會(huì)相互吸附到一起，形成細(xì)胞團(tuán)并沉到培養(yǎng)基的底部[2]。引起酵母發(fā)生絮凝的內(nèi)外因素有很多，如營(yíng)養(yǎng)不足[3-5]或環(huán)境中存在有害刺激時(shí)[6]，單個(gè)酵母細(xì)胞會(huì)聚集到一起形成生物膜用以抵抗外界刺激對(duì)整個(gè)群體的危害。至于內(nèi)部因素，有報(bào)道指出一旦某些基因的突變、缺失或高表達(dá)會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞出現(xiàn)絮凝現(xiàn)象[7-8]。如釀酒用酵母的絮凝功能對(duì)發(fā)酵工業(yè)就很重要，因?yàn)樗梢栽诎l(fā)酵結(jié)束時(shí)為生產(chǎn)者提供一個(gè)高效、環(huán)保、簡(jiǎn)單、低成本的將酵母細(xì)胞和發(fā)酵產(chǎn)品分開(kāi)的方法[9]。已有研究表明，在粟酒裂殖酵母中絮凝可能受到轉(zhuǎn)錄因子和編碼絮凝蛋白基因及細(xì)胞壁重構(gòu)酶基因的多重調(diào)控[10]。粟酒裂殖酵母中至少包含9個(gè)絮凝基因(gsf2/pfl1和pfl2～pfl9)。其中，gsf2是編碼絮凝蛋白結(jié)構(gòu)域所必需的，pfl2～pfl9則是非必需的[10]。單獨(dú)高表達(dá)pfl基因?qū)σl(fā)絮凝非常重要[10]。gsf2高表達(dá)會(huì)使絮凝程度更嚴(yán)重，但是pfl9高表達(dá)不會(huì)出現(xiàn)絮凝程度加深的表型[10]。在粟酒裂殖酵母中涉及絮凝的轉(zhuǎn)錄因子有Cbf12、Mbx2、Cbf11和Rfl1。Cbf12和Mbx2起轉(zhuǎn)錄激活作用，而Rfl1和Cbf11起轉(zhuǎn)錄抑制作用[10-13]。與芽殖酵母中絮凝不同的是粟酒裂殖酵母中的絮凝可以被半乳糖抑制，但是不能被甘露糖、葡萄糖和蔗糖所抑制。這個(gè)不同反映出兩種酵母細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)存在差異。到目前為止，在粟酒裂殖酵母中的10個(gè)PPR蛋白已經(jīng)全部被鑒定。PPR1～PPR10在線粒體基因表達(dá)過(guò)程中發(fā)揮重要作用[14-15]。Ppr9 (Rpo41) 是線粒體RNA聚合酶；Ppr1的作用主要是特異性穩(wěn)定cox2和cox3的mRNA；Ppr2 影響線粒體蛋白的翻譯；Ppr3在細(xì)胞內(nèi)的主要作用是穩(wěn)定線粒體中的小rRNA，與芽殖酵母中的Dmr1[16]和人體中的PTCD3[17]具有功能同源性；Ppr4是cox1mRNA特異性的翻譯激活因子；Ppr5是線粒體基因的負(fù)調(diào)控因子，Ppr6與芽殖酵母中的Atp13/Aep2序列同源，特異性影響atp9mRNA的穩(wěn)定性；Ppr7影響atp6mRNA的穩(wěn)定性；Ppr8對(duì)線粒體基因的翻譯有著微弱的影響[18]；Ppr10是一個(gè)線粒體翻譯因子。另外，ppr3、ppr4、ppr6和ppr10的缺失會(huì)擾亂細(xì)胞內(nèi)鐵平衡，引起細(xì)胞調(diào)亡[19]。在前期實(shí)驗(yàn)中，將野生型菌株和Δppr1、Δppr2、Δppr3、Δppr4、Δppr5、Δppr6、Δppr7、Δppr8和Δppr10置于三角瓶中培養(yǎng)至穩(wěn)定期，取少量菌液制成裝片放置于顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10會(huì)引起細(xì)胞凝集。因此選擇Δppr3、Δppr4、Δppr6以及Δppr10繼續(xù)進(jìn)一步的研究。

在芽殖酵母中細(xì)胞絮凝的機(jī)制研究已經(jīng)較為成熟，但粟酒裂殖酵母中ppr基因缺失引起細(xì)胞絮凝的機(jī)制還不清楚。因此，本研究旨在探究粟酒裂殖酵母中ppr基因缺失引起細(xì)胞絮凝的機(jī)制，為研究粟酒裂殖酵母細(xì)胞絮凝的機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 菌株與質(zhì)粒 粟酒裂殖酵母單倍體菌株yHL6381、Δppr3、Δppr4、Δppr6、Δppr10、Δppr3Δgsf2、Δppr4Δgsf2、Δppr6Δgsf2、Δppr10Δgsf2，pFA6a-hphMX6為本實(shí)驗(yàn)室保存。

1.1.2 培養(yǎng)基 YES培養(yǎng)基(每100 mL)：葡萄糖3 g，酵母粉0.5 g，亮氨酸(L-leucine)20 mg，尿嘧啶(uracil)20 mg，組氨酸(histidine)20 mg，固體培養(yǎng)基加1.5～2.0 g的瓊脂粉。

1.1.3 儀器與試劑 qRT-PCR試劑盒SYBR?Select Master Mix購(gòu)自Takara(大連寶生物工程有限公司)；反轉(zhuǎn)錄試劑盒iScriptTMcDNA Synthesis Kit購(gòu)自BIO-RAD公司；Yeast Nitrogen Base Without Amino Acids購(gòu)自Sigma公司；酵母提取物和蛋白胨購(gòu)自O(shè)xiod公司；其他化學(xué)藥品除特殊說(shuō)明外，均購(gòu)自南京丁貝。

1.2 方法

1.2.1 絮凝分析 ①絮凝現(xiàn)象的顯微觀察[11]：將WT、Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10接種于YES液體培養(yǎng)基中，30 ℃搖床培養(yǎng)至穩(wěn)定期，取適量的菌液制成裝片，利用Zeiss Axio imager A1 microscope(Zeiss，Jena，Germany)(×63)觀察細(xì)胞的分布情況。在剩余的菌液中添加EDTA至終濃度為0.01 mol/L，再取適量處理過(guò)的菌液制成裝片用于顯微鏡觀察。最后，在剩余的EDTA處理后的菌液中添加不同的金屬離子至終濃度為0.2 mol/L，取菌液制成裝片用于顯微鏡觀察。②不同pH值條件下細(xì)胞絮凝程度的測(cè)定[20]：收集穩(wěn)定期的WT、Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10細(xì)胞用ddH2O洗一遍；接著用6 mL 0.1 mol/L EDTA Na2重懸細(xì)胞10 min；再用ddH2O洗一遍。最后用各種pH值的琥珀酸Ca2+緩沖液(0.05 mol/L琥珀酸，0.05 mol/L Tris，0.008 mol/L CaCl2，分別用HCl 和NaOH調(diào)節(jié)至各個(gè)pH值)處理細(xì)胞10 min。震蕩混勻，各取2 mL菌液轉(zhuǎn)移至2個(gè)2 mL離心管中，分別設(shè)為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組，小心吸取對(duì)照組上層液面200 μL細(xì)胞測(cè)OD600，記作At=0。實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞靜置10 min。小心吸取實(shí)驗(yàn)組上層液面200 μL細(xì)胞測(cè)OD600，記作At=10。計(jì)算細(xì)胞絮凝率(沉降率)：V=1-At=10/At=0。

1.2.2 實(shí)時(shí)定量PCR 使用E.Z.N.A.?Yeast RNA Kit (OMEGA BIO-TEK) 抽提WT、Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10菌株的總RNA，用RNase-free DNase 消化提取樣品中的DNA，用RevertAidTMFirst Strand cDNA Sythesis Kit (Fermentas) 進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄獲得cDNA，將cDNA稀釋一定倍數(shù)作為實(shí)時(shí)熒光定量PCR的模板，本研究以Actin作為內(nèi)參，采用 ΔΔCT 法測(cè)定目標(biāo)基因的相對(duì)表達(dá)量。計(jì)算公式：目標(biāo)基因的相對(duì)表達(dá)量=2-ΔΔCT。

2 結(jié)果與分析

2.1 ppr3、ppr4、ppr6和ppr10敲除菌產(chǎn)生的細(xì)胞凝集現(xiàn)象

已知ppr3、ppr4、ppr6和ppr10的缺失能引起線粒體功能異常。在培養(yǎng)這四個(gè)缺陷菌的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)單獨(dú)敲除ppr3、ppr4、ppr6和ppr10基因會(huì)引起缺陷菌出現(xiàn)細(xì)胞凝集現(xiàn)象。因此，用蔡司顯微鏡對(duì)這些菌株的菌懸液進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示，野生型yHL6381的細(xì)胞均勻分布在顯微鏡視野范圍內(nèi)，而Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10呈現(xiàn)出不同程度的細(xì)胞聚集現(xiàn)象。

圖1 ppr3、ppr4、ppr6、ppr10的敲除引起細(xì)胞絮凝Fig.1 Deletion ofppr3,ppr4,ppr6andppr10cause aggregation of the mutant cells

2.2 ppr3、ppr4、ppr6和ppr10的敲除引起的細(xì)胞絮凝

無(wú)性絮凝的機(jī)制表明細(xì)胞表面的半乳糖殘基可能是一種介導(dǎo)細(xì)胞之間發(fā)生凝集的受體，一旦培養(yǎng)基中存在游離的半乳糖就會(huì)對(duì)絮凝現(xiàn)象產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)性抑制。為了鑒定Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10敲除菌引起的細(xì)胞凝集是否屬于無(wú)性絮凝，用含有半乳糖的培養(yǎng)基分別培養(yǎng)野生型菌株和這四個(gè)缺陷菌菌株。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2A所示，在添加半乳糖的培養(yǎng)基中Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10細(xì)胞凝集現(xiàn)象消失，說(shuō)明半乳糖可以抑制由這些敲除菌引起的細(xì)胞凝集。

為了驗(yàn)證本研究中的絮凝是否受Ca2+誘導(dǎo)，首先用EDTA處理突變體細(xì)胞，使其解絮凝，然后再添加CaCl2。結(jié)果如圖2B所示, 添加EDTA可以使這些敲除菌解絮凝，但添加CaCl2后，絮凝又會(huì)再次形成，說(shuō)明這種絮凝是可逆的并且依賴Ca2+。上述結(jié)果表明敲除ppr3、ppr4、ppr6和ppr10基因可以引起由Ca2+依賴型半乳糖結(jié)合蛋白參與的細(xì)胞絮凝。

2.3 不同pH值對(duì)Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10細(xì)胞絮凝的影響

溶液中的pH水平對(duì)細(xì)胞的絮凝會(huì)產(chǎn)生一定的影響。pH的改變主要通過(guò)影響細(xì)胞表面絮凝因子的蛋白活性進(jìn)而對(duì)細(xì)胞的絮凝產(chǎn)生影響。對(duì)WT和Δppr3、Δppr4、Δppr6及Δppr10在不同pH情況下的絮凝程度分別進(jìn)行了檢測(cè)，如圖3所示，這幾株ppr缺陷菌在pH 3～pH 8之間絮凝程度最嚴(yán)重，而pH小于2時(shí)會(huì)極大地抑制細(xì)胞的絮凝。這一結(jié)果說(shuō)明裂殖酵母細(xì)胞絮凝發(fā)生在接近生理?xiàng)l件的pH情況下。

圖2 半乳糖和CaCl2對(duì)細(xì)胞的處理Fig.2 Cells were treated with CaCl2and galactose

圖3 不同pH值對(duì)WT和Δppr3、 Δppr4、Δppr6、Δppr10絮凝的影響Fig.3 The effects of different pH to the flocclation of WT,Δppr3,Δppr4,Δppr6andΔppr10

2.4 不同金屬離子對(duì)Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10細(xì)胞絮凝的影響

除了溶液中的pH水平，金屬離子對(duì)于細(xì)胞的絮凝也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。Ca2+是引發(fā)絮凝的一個(gè)關(guān)鍵因素，它可以通過(guò)維系絮凝因子最適的構(gòu)像而可逆地激活絮凝因子的活性。同時(shí)絮凝現(xiàn)象的出現(xiàn)最終還要依賴暴露于細(xì)胞表面的糖蛋白與相鄰細(xì)胞的半乳糖殘基結(jié)合，進(jìn)而形成細(xì)胞團(tuán)沉淀到培養(yǎng)基中的底部。而Ca2+則直接參與了這種結(jié)合，它像個(gè)橋梁一樣將糖蛋白與半乳糖殘基緊緊連在一起[21]。那么其他的金屬離子對(duì)于Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10的絮凝是否也能起到相同的作用？因此，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證以上假設(shè)。用EDTA處理野生型yHL6381和Δppr3、Δppr4、Δppr6以及Δppr10，取出適量細(xì)胞液制成裝片，作為自身空白對(duì)照。將剩余的細(xì)胞液用終濃度為0.2 mol/L陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+、Na+、K+、Mn2+、Fe3+)處理后，取相同量處理后的細(xì)胞懸液制成裝片，用顯微鏡觀察。結(jié)果如圖4所示，添加Ca2+、Mg2+、Na+或K+可以緩解這些突變體引起的絮凝，而Mn2+或Fe3+不可以。說(shuō)明這種絮凝需要Ca2+、Mg2+、Na+或K+的參與，這些離子可能會(huì)激活絮凝因子。對(duì)照組，添加Fe3+可以誘導(dǎo)突變體和野生型都產(chǎn)生絮凝。

圖4 不同金屬離子對(duì)WT和Δppr3、Δppr4、Δppr6及Δppr10絮凝的影響Fig.4 The efects of different metal ions to the flocculation on WT,Δppr3,Δppr4,Δppr6 andΔppr10

2.5 ppr3、ppr4、ppr6和ppr10的敲除引起的編碼絮凝因子基因表達(dá)上調(diào)

已經(jīng)通過(guò)分析ppr10敲除菌的RNA-seq數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)敲除菌中的基因表達(dá)發(fā)生改變。RNA-seq數(shù)據(jù)表明在Δppr10中參與絮凝的5個(gè)基因(gsf2、pfl6、pfl8、pfl9和cbf12)上調(diào)超過(guò)2倍[19]。其中pfl9和gsf2上調(diào)非常顯著。為了驗(yàn)證這一結(jié)果，使用qRT-PCR來(lái)分析在ppr3、ppr4、ppr6和ppr10細(xì)胞中已報(bào)導(dǎo)的絮凝基因(gsf2、pfl2、pfl3、pfl4、pfl6、pfl7、pfl8、pfl9和SPBPJ4664.02)[10]。結(jié)果如圖5A所示，gsf2、pfl6、pfl8和pfl9在突變體中表達(dá)上調(diào)，其中pfl9和gsf2上調(diào)的最為明顯。因此，可以推斷Δppr3、Δppr4、Δppr6及Δppr10是通過(guò)高表達(dá)細(xì)胞表面絮凝因子來(lái)實(shí)現(xiàn)絮凝。Gsf2是一個(gè)半乳糖特異性絮凝因子，在粟酒裂殖酵母中對(duì)無(wú)性絮凝起重要作用[10]。為了驗(yàn)證gsf2是否影響ppr敲除菌引起的絮凝，構(gòu)建了雙敲菌，在這些敲除菌的基礎(chǔ)上敲除gsf2。結(jié)果發(fā)現(xiàn)敲除gsf2能夠消除由ppr敲除菌引起的絮凝(圖5B)。

圖5 突變體菌株細(xì)胞中的一些絮凝基因的表達(dá)Fig.5 mRNA levels of some putative adhesion gene in wild-type,Δppr3,Δppr4,Δppr6and Δppr10 cells

2.6 ppr3、ppr4、ppr6和ppr10的敲除引起的編碼細(xì)胞壁重構(gòu)酶基因表達(dá)上調(diào)

在裂殖酵母和芽殖酵母中參與細(xì)胞壁重構(gòu)酶的基因?qū)π跄鹬匾饔肹10，22]。用qRT-PCR檢測(cè)ppr敲除菌中已知的4個(gè)編碼細(xì)胞壁重構(gòu)酶的基因agn2、psu1、gas2和Spac4h3.03c的表達(dá)。結(jié)果如圖6所示，發(fā)現(xiàn)gas2和Spac4h3.03c表達(dá)上調(diào)明顯高于agn2和psu1。

圖6 突變體菌株細(xì)胞中編碼 細(xì)胞壁重構(gòu)酶基因的表達(dá)Fig.6 mRNA levels of cell wall remodeling enzyme gene in wild-type,Δppr3,Δppr4,Δppr6andΔppr10 cells

3 討 論

粟酒裂殖酵母基因組編碼10個(gè)PPR蛋白，這10個(gè)蛋白沒(méi)有表現(xiàn)出序列上的相似性。除了Ppr5，失去其他幾個(gè)蛋白中的任何一個(gè)，都會(huì)對(duì)線粒體DNA基因組的表達(dá)起負(fù)調(diào)控,引起線粒體ETC途徑受損和呼吸缺陷。在ppr敲除菌中，只有Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10會(huì)引起無(wú)性絮凝表型。已有研究報(bào)道這四個(gè)ppr敲除菌在非發(fā)酵型培養(yǎng)基上表現(xiàn)出嚴(yán)重的生長(zhǎng)缺陷，并且會(huì)引發(fā)線粒體功能異常從而導(dǎo)致體內(nèi)鐵離子失衡，進(jìn)而促進(jìn)體內(nèi)ROS水平升高誘發(fā)細(xì)胞調(diào)亡[29]。因?yàn)樾跄且环N緊密的結(jié)構(gòu)，細(xì)胞間存在著很小甚至沒(méi)有間隙，所以線粒體功能嚴(yán)重受損會(huì)使細(xì)胞產(chǎn)生如絮凝這樣的防御機(jī)制。因此，認(rèn)為細(xì)胞絮凝是一種共保護(hù)機(jī)制來(lái)幫助細(xì)胞抵御環(huán)境壓迫[23]。

在芽殖酵母中絮凝主要受到黏著蛋白Flo1、Flo5、Flo9、Flo10、Flo11、Fig2和Aga1的調(diào)控，這些基因的過(guò)表達(dá)會(huì)引起細(xì)胞絮凝，其中FLO1最為顯著[24-25]，但FLO1的表達(dá)受轉(zhuǎn)錄因子Flo8和Mss11的調(diào)節(jié)。在粟酒裂殖酵母中絮凝是由絮凝因子和細(xì)胞壁重構(gòu)酶基因共同調(diào)節(jié)。本研究發(fā)現(xiàn)ppr3、ppr4、ppr6和ppr10敲除菌中絮凝因子表達(dá)明顯上調(diào)，特別是gsf2和pfl9；細(xì)胞壁重構(gòu)酶基因gas2和Spac4h3.03c的表達(dá)也明顯上調(diào)。既然絮凝是由絮凝因子及細(xì)胞壁重構(gòu)酶基因控制的，那么ppr3、ppr4、ppr6和ppr10的缺失可能會(huì)影響粟酒裂殖酵母的細(xì)胞壁特性。另外，很有可能在Δppr3、Δppr4、Δppr6和Δppr10中還有其他尚未確定的轉(zhuǎn)錄因子也參與了絮凝基因的上調(diào)。還需實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究gas2和Spac4h3.03c的表達(dá)上調(diào)是如何進(jìn)行的。

本研究發(fā)現(xiàn)ppr3、ppr4、ppr6和ppr10的缺失會(huì)引起由Ca2+依賴型半乳糖結(jié)合蛋白參與的細(xì)胞絮凝。因此，對(duì)ppr基因敲除引起的細(xì)胞絮凝機(jī)制產(chǎn)生了興趣。研究發(fā)現(xiàn)pH值和金屬離子是影響這類缺陷菌細(xì)胞絮凝的因素。通過(guò)qRT-PCR技術(shù)得出，ppr3、ppr4、ppr6和ppr10的缺失會(huì)使細(xì)胞內(nèi)編碼絮凝因子和細(xì)胞壁重構(gòu)酶基因表達(dá)上調(diào)。綜上所述，線粒體功能異常會(huì)誘導(dǎo)絮凝基因表達(dá)上調(diào)和細(xì)胞壁屬性發(fā)生改變，從而產(chǎn)生絮凝現(xiàn)象。