1、次级代谢：在真菌生物中的调节及作用丝状真菌产生各种各样的次级代谢产物一些小分子，这些小分子并不是真菌生长发育所必需的，次级代谢产物在社会中有巨大的影响。一些被用作抗生素和药品研制，另一些则导致人或动物患病。真菌基因序列的获得使这些次级代谢分子的特定生物合成基因得以加强。调控次级代谢产物生成的基因已被确定，次级代谢、光和有性或无性生殖之间的联系已被建立。然而真菌中次级代谢产物的产生仍然是个迷题。很多这种真菌在土壤中腐生生活，它们产生的分子能保护它们抵御同一生态位的其他居住者。简介真菌次级代谢产物的种类包括聚酮化合物（如黄曲霉毒素和伏马毒素） 、非核糖体多肽（如西洛霉素、波胺、铁传递蛋白，铁菌素）
2、 、萜烯（如 T-2 毒素、脱氧雪腐镰刀菌烯醇） 、吲哚萜烯（如蕈青毒素和震颤素） 。次级代谢物的生物合成基因通常是聚集在一起的，因此能相对容易地从完整的基因组序列中被鉴定出来。真菌的次级代谢调控已被全面考察。这篇文章强调了这个领域在过去几年里的发展并且描述了最近的实验发现，这些实验的目的是测定真菌生物中次级代谢的作用。图一次级代谢生物合成的调控基因次级代谢物基因簇通常包含在基因簇内起作用的转录因子。近来研究表明这些调控因子也作用于其他基因组的基因。例如，在黄曲霉和寄生曲霉中调控黄曲霉毒素的基因簇以及构巢曲霉中调控柄曲霉素基因簇的转录因子 alfR 也调节黄曲霉毒素基因簇以外的三个基因。这种转
3、录调节因子野生型和突变型基因的全局表达的模式比较的微阵列实验很可能导致更多情况的发现，在这些情况中，其它基因组中的基因也被调控。一些生物基因簇不含转录因子，如内生真菌Neotyphodium lolii 和 Epichloe festucae 中的麦角缬氨酸和黑麦震颤素基因簇。菌丝中这些信号的转录水平很低但在植物中却很高，这表明植物信号转导调节这些基因次级代谢物的生产。通过全局转录因子次级代谢物被控制在一个较高的水平，这些转录因子被与生物合成基因簇不连接的基因编码。这些基因调控许多生理过程，而且通常会应答环境因素如 PH、温度和营养。营养调节的一个例子是 AreA， 它是一个氮代谢的调控因子，
4、需要轮状镰刀霉菌产生伏马素 B1。生长在不同氮素条件下产赤霉素的赤霉菌的同源突变体改变了一些参与次级代谢基因的转录模式，轮枝镰孢菌的微阵列中间杂交实验就显示了这个现象。此外，在啤酒酵母中调节营养介导信号的雷帕霉素标靶激酶的同源体也牵扯到 F. fujikuroi 中赤霉素的生物合成。核蛋白 LaeA 是曲霉次级代谢的主要调控因子，破坏这个基因导致菌株中几种次级代谢物含量很低，并且黄曲霉菌核的产量减少。野生型转录模式的全基因组比较，烟曲霉的一个 LaeA 突变体和补充控制株表明了 LaeA 控制了大约 10的基因转录。很明显，大多数这些基因属于 22 个次级代谢基因簇中的 13 个基因， 7 个
5、这些调控基因簇位于有许多异染色质的端粒区。甲基转移酶与 LaeA 相似的基因序列参与了组蛋白的修饰，目标 LaeA 的端粒区位置显示蛋白质通过染色体重组起作用，这个作用被染色体免疫技术研究所支持。异染色质柄曲霉素生物合成增强的同时组蛋白 H3 的赖氨酸残基中三甲基减少，而 LaeA 突变体则表现出赖氨酸残基中三甲基增加，但是柄曲霉素的产量却同时减少了。构巢曲霉的有性和无性发育对光的应答受一些因素的控制包括蛋白质 VeA。最近，研究表明寄生曲霉菌，黄曲霉和构巢曲霉中 veA 即可以控制生长发育又可以调节次级代谢物的生产。VeA 的缺失导致aflR 不能表达而且继而要产生的黄曲霉毒素也不能产生。能
6、产生高浓度 -内酰胺抗菌头孢素 C 的头孢菌最近被鉴定出有 veA 的同系物。AcVEA 这种蛋白质调节生物合成基因的表达和头孢菌素 C 的产生，同时还调控菌丝发育的附属碎片。生长发育过程的调节与次级代谢物产生之间的关系的提出已经有很长时间了，最近它们的分子机制也被描绘出来。构巢曲霉中串联亲和纯化和酵母双杂交实验发现了 VeA 与 LaeA、VelB 相互作用。进一步实验表明 VeA 和 VelB 先在细胞质中互作后又转移到细胞核中。在光照条件下，VeA 的浓度很低，无性发育（孢子繁殖）被诱发，但是参与的生物合成柄曲霉素的合成基因并没有被诱发。相反的，黑暗条件下 VeA 浓度很高，这种蛋白质作
7、为 LaeA 和 VelB 之间的桥梁以便形成一种异源三倍体复合物，这种复合物可以诱导柄曲霉素生物和基因的表达。这个核心复合体的上游因子包括光敏色素 FphA 和两种蛋白质 Wc-1 和 Wc-2。在红面包菌中这些蛋白质的光应答作用已经被广泛分析。在核中光敏色素 FphA 与 VeA 相互作用，但与LaeA 的相互作用至今还未被发现。最近报到了水稻恶苗病菌次级代谢中 Wc-1 的同系物 WcoA 的作用。这个基因调控聚酮化合物、镰菌素、比卡菌素以及赤霉素的产生。有趣的是 WcoA 的缺失突变体并没有影响光诱发的类胡罗卜素的生物合成，虽然分生孢子严重减少，但是，依然产生了前面提到聚酮化合物和赤霉
8、素。并非所有调控真菌次级代谢的蛋白质都是调控因子。构巢曲霉中的组蛋白脱乙酰酶 HdaA 调节次级代谢的作用 LaeA 是相反的，HdaA 基因的缺失导致柄曲霉素和青霉素生物合成基因的表达提早并且加强。抑制组蛋白脱乙酰酶增加了烟草赤星病菌和扩展青霉中未经鉴定的次级代谢产物的产生，这表明了组蛋白脱乙酰酶的调节功能可能被保存在丝状真菌中。此外用 DNA 甲基转移酶或组蛋白脱乙酰酶抑制剂处理各种各样的真菌与不经处理的株系比较可给出改变的自然产物的简介。MAP 激酶也涉及调节次级代谢，它可能通过转换细胞外信号而直接调节次级代谢，例如，与野生型株系比较，构巢曲霉和刺盘孢菌 MAP 激酶突变的个体会产生跟低
9、水平的次级代谢产物。在构巢曲霉中，MAP 激酶 MpkB 通过 LaeA 发挥它的作用。另一种信号蛋白，cAMP 蛋白激酶 PkaA 在构巢曲霉中也参与调节次级代谢物的产生。这种蛋白质与 G-蛋白信号通路协同作用参与发育调节，通过阻碍 aflR 基因转录以及钝化 AflR 蛋白产物的活性来抑制柄曲霉素的产生。得知 MAP 激酶和 cAMP 信号通路在真菌生长和发育过程中的重要性后，这个通路能调节次级代谢就不足为奇了。构巢曲霉中黄曲霉毒素调节机制有关知识的理解。蛋白质激酶 A，PkaA 对被环境刺激而诱导的级联放大信号（没有表示）是非常活跃的。高水平的活性蛋白抑制孢子生殖以及 AflR 和 La
10、eA 的转录，前者应答黄曲霉毒素生物合成基因，它也调节生物合成基因簇外的基因，后者是次级代谢物产生的主要调控因子并被认为是通过染色体重组起作用。促分裂原活化激酶，MpkB 通过信号级联放大激活次级代谢物的产生和性别发育来应答环境刺激。前一种应答可能通过 LaeA 活化。黑暗影响天鹅绒复合物，这种复合物包括蛋白质VelB、VeA 和 LaeA。VelB/VeA 控制性别发育然而 LaeA 增强次级代谢物的产生。组蛋白脱乙酰酶， HdaA，抑制 LaeA 的活性调节这样减少次级代谢物的产生。箭头代表基因激活，封闭箭头代表基因抑制。调节因子的操纵式表达从而发现新的次级代谢物生物合成基因簇的功能分析依
11、赖于在基因簇中打乱关键基因，并检验之后产生的次级代谢物类型。然而，在很多基因簇中的基因表达水平极低，而且在标准条件下培养的真菌中的特殊代谢产物不能被检测到。缺失突变体转录谱的比较和次级代谢物产生的全局调控因子的过量表达在构巢曲霉中用于鉴定抗肿瘤药物 terrequinone A 的基因簇。这种代谢产物先前在构巢曲霉中并未被鉴定出来，另一种鉴定不在标准培养条件转录基因簇的产物的方法包括克隆一个可诱导启动子下游的假定通路特异性调节基因并且把这个结构转换到被用于相关生物体中，这种方法被用于激活有一个混合聚酮合酶或非核糖体肽合酶基因的一个构巢曲霉的基因簇，公认的转录因子诱发 apdR 的表达导致这种基
12、因簇产生的两种新的吡啶代谢物 aspyridonesA 和 B 的发现。真菌生物学中真菌次级代谢物的作用真菌生物中次级代谢物的作用是非常难懂的，很多这种分子是由病原性真菌产生的。例如，一种至今仍未被鉴定的次级代谢产物是水稻稻瘟病菌的分离群产生的，它参与了某种独有的水稻抗性品种的鉴定。这种代谢产物是由 ACE1 基因簇合成的，这种基因簇包含了一个混合聚酮合酶或非核糖体肽合酶，并且呈现一种特异性感染表达模式。某些真菌对各自宿主植物的毒性被特定的铁载体调节，这种铁载体是参与铁离子的吸收的一个种类，它的合成需要一个非核糖体肽合酶 NPS6 的参与。植物抗原性真菌产生的寄主专一性毒素是致病的关键，例如，
13、圆斑病菌中的 HC 毒素对有 Hm 抗性基因的患病玉米品种是专一的。相比之下，很多无宿主特异性毒素，如小球胚菌的西洛菌素 PL 广泛地毒害它们的宿主植物。在很多例子中，产生毒素的真菌不依赖宿主生长也能完成他们的生命循环。毒害宿主可能对真菌有利，然而，在一些情况下，宿主中一些有害毒素的毒害作用（如导致癌症）只发生在真菌死后，这对产生次级代谢物的真菌并无益处，对一个产生的有机体来说，次级代谢物最大的好处可能是使生物体在它的生态位中存活下来。很多这种真菌腐生生活在土壤中，在土壤中它们暴露在充满各种各样竞争生物体严酷环境中。人们提出真菌的毒性已进化到在这种环境中保护真菌以免被变形虫、线虫或其他无脊椎动
14、物捕食的程度，人们不禁猜测次级代谢物是以这种方式起作用。最近的已明确的次级代谢物生物合成突变体的使用为一些分子和产生它们的生物体检测了这个理论。例如，相对于野生型来讲，构巢曲霉的 LaeA 突变体的次级代谢物的浓度很低会最先被食真菌的节肢动物白符跳捕食。与野生型比较，突变体的消耗增加了节肢动物繁殖的成功性，但也导致真菌突变体数量的减少，因此次级代谢物保护了真菌不被捕食。另一个例子，次级代谢物为与真菌共生的植物提供了好处，内生真菌如香柱菌或 Neotyphodium spp 中的一种调控的非核糖体肽波胺是一种有效的昆虫抗食素。胺生物合成途径中肽合酶已被鉴定并产生了突变。一个选择生物分析例子，多年
15、生黑麦草捕获突变体作为吸引阿根廷茎象鼻虫的内生游离植物，但是有突变型株系的黑麦草没有吸引力。植物、真菌和捕食昆虫之间的三方关系增强了这种相互作用进化的复杂性。结论和未来发展的方向真菌的次级代谢物的调节机制是复杂的需要对各种各样环境和寄主的刺激产生应答的多样蛋白质和复合物，模式真菌构巢曲霉中这些过程的理解取得了很大的发展。在其它真菌中曲霉蛋白质如 LaeA 的同系物的功能特征应导致更多有趣现象的发生。最近，详细的代谢途径建立在构巢曲霉全基因组规模上，这种全基因组方式将进一步揭开初级和次级代谢产物之间的联系。例如通过交叉通路控制（cpcA ）系统，黑胫病随机插入突变体分析表明了氨基酸生物合成和次级
16、代谢物的关系，因此，一个 cpcA 同系物调控西洛菌素生物合成基因的表达。虽然，最近许多新的基因簇被鉴定出来，但相应的次级代谢物的鉴定并未增加。真菌学家、遗传学家和化学家之间的交叉科学研究合作对促进分配产生次级代谢产物的生物合成基因簇是十分重要的。改变生长条件和/或操纵调控因子加上最近开发的可以实现检测灵敏度的质谱技术，可能使这种分子被鉴定出来。针对次级代谢物调节的一个更好解释是为了对环境刺激做出响应，这种理解为研究真菌生物产物的作用提供了线索。不同荧光标记产生或不产生次级代谢物的分离群落，可探究而决定使真菌在它们自己的生态位上存活下来的次级代谢物的作用，接下来几年研究者承诺会揭示更多关于由生物体产生的分子的作用的信息。
