大自然有一種巧妙的方式來利用有利的情況。以念珠菌為例。這種酵母直到2009年才為人所知，但當(dāng)科學(xué)家得知它正在對(duì)醫(yī)院和護(hù)理機(jī)構(gòu)的患者造成危及生命的侵入性感染時(shí)，它突然出現(xiàn)了。2019年，耳念珠菌的危險(xiǎn)非常嚴(yán)重，以至于美國疾病控制與預(yù)防中心將其列為嚴(yán)重的全球健康威脅，理由是酵母菌的傳播及其對(duì)多種抗真菌藥物的耐藥性。
上個(gè)月，美國疾病控制與預(yù)防中心報(bào)告說，在美國近一半的州都發(fā)現(xiàn)了耳念珠菌
那么，一種簡(jiǎn)單的、未知的酵母菌是如何突然成為公眾健康的敵人的呢?愛荷華大學(xué)的生物學(xué)家說，部分答案存在于編碼粘性或粘附素的基因家族中，這些粘附素似乎是真菌疾病毒力的核心，包括一些威脅人類的疾病。
在一項(xiàng)新的研究中，研究人員報(bào)告了一個(gè)這樣的粘附素家族，稱為Hil家族，它存在于所有酵母物種的共同祖先中，但在致病物種中的數(shù)量要多于良性物種。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，一些具有大Hil基因家族的致病物種是遠(yuǎn)親，這表明具有大Hil家族的每個(gè)物種獨(dú)立進(jìn)化出家族規(guī)模，而不是將基因傳遞下去。
“我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)基因家族通過基因復(fù)制特異性地反復(fù)擴(kuò)展，”生物學(xué)系助理教授、該研究的共同通訊作者BinHe說。“此外，它們的序列在復(fù)制后迅速進(jìn)化，可能產(chǎn)生功能多樣性，使酵母能夠適應(yīng)復(fù)雜的宿主環(huán)境。”
適應(yīng)元素是關(guān)鍵：Hil基因可能編碼使生物體變得粘附的蛋白質(zhì)。更具體地說，這些蛋白質(zhì)通過其結(jié)構(gòu)幫助酵母細(xì)胞粘附在宿主組織和無生命表面(如導(dǎo)管)上，并將自身縫合在一起，就像互鎖的樂高積木一樣，形成幾乎無法穿透的抗藥性壁，稱為生物膜.
人們可以說，這是最好的或最邪惡的自然選擇。Hil基因在許多其他酵母物種中不存在或不活躍，例如面包酵母，它們實(shí)際上對(duì)人類有益(假設(shè)人們喜歡面包)。但研究人員發(fā)現(xiàn)，在致病性物種中，Hil(Hyr/Iff-like的縮寫)家族非常活躍并且健康，造成了其粘附性破壞。
“這就是趨同進(jìn)化，”他說。“你找到了在環(huán)境利基市場(chǎng)取得成功的方法。”
研究人員對(duì)粘附素家族中的蛋白質(zhì)進(jìn)行了測(cè)序，并搜索了所有其他生物體——包括植物、動(dòng)物和細(xì)菌王國——以找出是否有任何其他物種具有相似的蛋白質(zhì)序列。他們只在一個(gè)地方發(fā)現(xiàn)了Hil基因家族，即真菌界的一部分酵母菌綱。
分析揭示了另一個(gè)重要線索：從分類學(xué)上講，希爾家族突然出現(xiàn)在沒有近親的物種中。例如，Hil家族在耳念珠菌和另一種致病物種白色念珠菌中存在并活躍。但是，當(dāng)研究人員針對(duì)每個(gè)物種觀察更密切相關(guān)的物種時(shí)，Hil基因數(shù)量很低，或者根本不存在。
“這就是平行或獨(dú)立進(jìn)化的想法，”他說。“基本上，這些基因達(dá)到了相同的最終狀態(tài)，不是通過下降，也不是通過遺傳，而是通過獨(dú)立進(jìn)化。它們都走了相似的進(jìn)化路徑。”
該研究本身源于愛荷華州的研究生生物信息學(xué)課程。2019年秋季，該課程的講師將課程重點(diǎn)放在耳念珠菌上，最近對(duì)它的5,000個(gè)基因基因組進(jìn)行了測(cè)序。一個(gè)學(xué)生小組決定調(diào)查耳念珠菌對(duì)粘性的嗜好。
這是一個(gè)明智而富有成果的選擇。
“我們根據(jù)我們認(rèn)為可能與使真菌病原體變得粘稠有關(guān)的關(guān)鍵字域選擇蛋白質(zhì)，并提出了這組粘附素，”班上的學(xué)生LindseySnyder解釋說，他正在攻讀遺傳學(xué)博士學(xué)位。愛荷華州。“當(dāng)時(shí)，我們正在研究的基因組中報(bào)告了兩個(gè)小的粘附素家族，所以一旦我們意識(shí)到這個(gè)(Hil)家族有多大，我們就非常確定我們發(fā)現(xiàn)了一些在這個(gè)物種中尚未被表征的東西”
生物學(xué)系教授揚(yáng)·法斯勒(JanFassler)于2013年與生物學(xué)副教授阿爾伯特·埃里夫斯(AlbertErives)一起構(gòu)思了這門課程，他說，講師會(huì)選擇文獻(xiàn)中的新基因組，并具有有趣的生物學(xué)屬性。
“我們選擇了最近測(cè)序的基因組，這樣之前的調(diào)查就會(huì)很少，從而讓學(xué)生感覺他們(并且他們正在)做出新發(fā)現(xiàn)，”生物醫(yī)學(xué)科學(xué)項(xiàng)目主任和共同通訊作者Fassler說。在學(xué)習(xí)上。
接下來，研究人員想通過實(shí)驗(yàn)具體研究Hil家族如何讓耳念珠菌變得粘附。這將推動(dòng)研究超越識(shí)別所涉及的基因，并可能導(dǎo)致醫(yī)學(xué)進(jìn)步。
“這是希望：我們已經(jīng)確定了一個(gè)基因家族，它可能在發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮重要作用，并且僅限于這組真菌。如果我們能弄清楚如何抑制它，這可能是一個(gè)藥物靶點(diǎn)，”He說。
這項(xiàng)名為“病原酵母中粘附素家族的平行擴(kuò)張和分化”的研究發(fā)表在《遺傳學(xué)》雜志上。
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