灵芝鸟氨酸脱羧酶抗酶调控胞内多胺含量与次生代谢的机制研究

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多胺(Polyamines,PAs)主要包括腐胺(Putrescine,Put)、亚精胺(Spermidine,Spd)和精胺(Spermine,Spm)。而真菌中的初级多胺——腐胺是由鸟氨酸经过鸟氨酸脱羧酶(Ornithine decarboxylase,ODC)脱羧形成的。在生物体中,多胺发挥了多种生物学功能,是生物体生长和发育的关键调节剂。因此,多胺稳态的变化牵连着生物体内的生理代谢通路。灵芝三萜(又称灵芝酸,Ganodericacids,GAs)作为灵芝体内的一种次生代谢产物,同时也是重要的药用成分之一,具有科学研究与临床治疗的双重研究价值。而实验室前人的研究表明,灵芝内多胺含量的变化对灵芝三萜的合成有显著影响。因此,在实验室前期研究基础上,本研究进一步探讨了多胺含量调控系统中的重要蛋白——鸟氨酸脱羧酶抗酶(Ornithine decarboxylase Antizyme,AZ)对灵芝胞内多胺稳态的作用机制,以及AZ在灵芝次生代谢通路中所起到的承上启下的作用。首先,本研究在灵芝全基因库中鉴定并克隆了 AZ的同源基因,命名为GlAZ。该基因全长1000 bp,这与真菌中AZ特有的3n+1的核酸序列个数相符。之后,与其他物种进行进化树以及结构域比对发现,GlAZ与担子菌AZ蛋白具有更高的同源性,且同样拥有保守的二肽、新生信号肽以及AZ功能结构域。同时,本研究构建了 GlAZ蛋白异源表达载体,诱导表达并纯化了 GlAZ蛋白,且制作了兔免疫GlAZ多克隆抗体,用于进行后续多项实验。其次,本研究利用酵母双杂实验,体内蛋白免疫共沉淀(co-IP)实验,以及酵母双分子荧光互补(BIFC)实验三种方法,发现了 GlAZ能够与灵芝ODC(GlODC)之间发生蛋白互作。进一步,我们构建了 GlAZ沉默突变菌株与过表达菌株。Western Blot检测发现,GlAZ沉默菌株中GlODC蛋白含量比野生型菌株(wildtype,WT)中GlODC蛋白含量明显增加,而GlAZ过表达菌株中GlODC蛋白含量则显著低于WT菌株。这证明了 GlAZ能够通过与GlODC蛋白互作从而抑制GlODC蛋白水平。随后通过高效液相色谱检测Put含量发现,相较于WT菌株,GlAZ沉默菌株中Put含量上升约40%,而GlAZ过表达菌株中Put含量则下降了约63%。并且,在GlAZ沉默菌株中添加ODC抑制剂DFMO后,胞内Put含量低于未处理的GlAZ沉默菌株。这些结果表明GlAZ能够通过与GlODC发生蛋白互作,降低其蛋白水平,从而影响胞内Put含量。另外,本研究还发现,在GlAZ沉默菌株中GAs水平比WT菌株GAs水平分别下降了 33%和38%;而在沉默菌株中外源添加DFMO后,胞内GAs恢复至WT菌株水平。较WT菌株GAs水平,GlAZ过表达菌株中GAs水平分别上升了 70%和41%;而在过表达菌株中外源添加Put后,GAs水平低于未处理的过表达菌株。而除了对次生代谢的影响,GlAZ表达水平也影响了灵芝菌丝的生长情况以及生物量的积累。据此,我们认为GlAZ可能通过调控GlODC/Put水平来影响灵芝胞内的次生代谢。最后,本研究初步探究了 AZ的上游调控通路,并聚焦于雷帕霉素靶蛋白(Target of rapamycin,TOR)。运用Western Blot检测发现,与未处理的WT菌株相比,在灵芝TOR沉默菌株以及TOR蛋白抑制剂处理后的WT菌株中,GlAZ蛋白含量增加;进一步抑制TOR下游的调控核糖体翻译的核糖体S6蛋白激酶(Ribosomal protein S6 kinase,S6K)可以发现GlAZ蛋白含量也明显上升。这些结果表明灵芝TOR(GlTOR)可能通过S6K影响GlAZ的蛋白翻译。通过检测Put含量发现,GlTOR受抑制的菌株中Put含量比WT菌株Put含量降低了 55%。之后,本研究构建了GlTOR-GlAZ共沉默菌株,发现共沉默菌株中Put含量呈现出与WT菌株相同的趋势。这与单沉默GlTOR菌株中Put含量降低的情况不同。并且,GlTOR-GlAZ共沉默菌株中GAs含量与WT菌株无明显差异,而单沉默GlTOR菌株中GAs含量则呈上升趋势。由此结果表明GlAZ受到上游调控蛋白GlTOR的影响从而改变了胞内Put水平,以及GAs的合成代谢。综上所述,本研究发现GlAZ不仅通过与GlODC发生蛋白互作,起到了调控灵芝胞内Put含量的作用,还能够调节胞内次生代谢产物合成。另外,通过对GlAZ上游调控因素的初步探究表明,GlAZ受上游蛋白GlTOR的调控从而影响了胞内Put水平和GAs的合成代谢。本研究有助于拓展真菌中多胺上游调控机制的认知,为研究真菌中多胺调控系统以及次生代谢通路提供些许帮助。
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