破解白念珠菌“隱形殺手”——訪中科院微生物研究所黃廣華研究員

本刊記者 周珈慧

破解白念珠菌“隱形殺手”
——訪中科院微生物研究所黃廣華研究員

本刊記者 周珈慧

白念珠菌，提起這個微生物研究領(lǐng)域里的專業(yè)名詞，很多人都會感到陌生。其實(shí)，這個看似陌生的微生物是共生于人體的微生物群落中的成員之一，存在于正常人的口腔、上呼吸道、腸道及陰道中。一般情況下，它是溫和無害的，但一旦產(chǎn)生病變，它的危害著實(shí)讓人不可小視！常被人視為是“隱形的殺手”。

當(dāng)人體免疫系統(tǒng)受損后，白念珠菌過度生長不僅可能導(dǎo)致淺部感染（如鵝口瘡），也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的深部感染（如敗血癥）。白念珠菌深部感染致死率高達(dá)40～50%，是HIV感染人群中出現(xiàn)最早、發(fā)生率最高的機(jī)會性感染，也是威脅艾滋病患者生命的重要因素之一。由于廣譜抗菌素的廣泛使用，癌癥化療、器官移植和體內(nèi)導(dǎo)管植入等新的醫(yī)療技術(shù)的應(yīng)用，以及我國艾滋病感染人數(shù)和老齡人口的增加，導(dǎo)致以白念珠菌為主的真菌感染成為我國臨床上日益嚴(yán)重的問題。

在國內(nèi)外享有盛譽(yù)的研究院所——中科院微生物研究所，有一位名叫黃廣華的青年研究員，就主要從事白念珠菌形態(tài)發(fā)生和致病機(jī)理研究。這位從西南大學(xué)成長起來質(zhì)樸青年，從開始接觸微生物研究領(lǐng)域的那一天起，就從沒停止過探索的腳步。先后在中科院上海生命科學(xué)研究院生化細(xì)胞所碩博連讀，獲博士學(xué)位，并曾在美國艾奧瓦大學(xué)生物系David R. Soll教授實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究工作。2010年起加盟中科院微生物研究所，并建立了白念珠菌功能基因組學(xué)研究組。白念珠菌能以白菌和灰菌兩種形態(tài)存在，而且兩種形態(tài)之間能夠頻繁轉(zhuǎn)換。近年來，黃廣華博士最突出的研究成績是成功解決了1987年白-灰形態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)現(xiàn)以來的困擾該領(lǐng)域的兩大難題：一，調(diào)控白念珠菌白-灰轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵基因是什么？二，主要共生于人體腸道的白念珠菌究竟是利用什么宿主微環(huán)境因子，從而達(dá)到促進(jìn)白-灰轉(zhuǎn)換并進(jìn)行高效率交配的？

解題一：揭秘WOR1小因子的大影響

調(diào)控白-灰轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵基因是什么？答案是WOR1！

平常健康人體內(nèi)“性情溫和”的白念珠菌何以導(dǎo)致難以治療的頑癥？玄妙就藏在其形態(tài)的多樣性及不同形態(tài)之間頻繁轉(zhuǎn)換的能力之中。

2000年，黃廣華考取中科院上海生命科學(xué)研究院生化細(xì)胞所碩-博連讀研究生。期間主要從事蛋白工程表達(dá)和白念珠菌形態(tài)發(fā)生的分子機(jī)理研究，寒來暑往，埋首科研6年，付出了常人難以想象的辛勤努力和汗水，最終發(fā)現(xiàn)了調(diào)控白念珠菌白-灰形態(tài)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵基因WOR1。

據(jù)黃廣華介紹，白-灰轉(zhuǎn)換(White-opaque switching)和酵母-菌絲形態(tài)轉(zhuǎn)換是白念珠菌多種形態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中最重要的兩種。利用白念珠菌和模式生物釀酒酵母菌絲（假菌絲）生長調(diào)控信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的保守性，他們通過功能互補(bǔ)，利用釀酒酵母單倍體f l o8缺失株，從白念珠菌基因組文庫中篩選到了WOR1 (White-opaque regulator 1)基因。

在多年工作的鋪墊之下，黃廣華及研究同事通過Northern雜交實(shí)驗(yàn)證明，WOR1基因只在灰菌中表達(dá)，在白菌中不表達(dá)。WOR1基因這種“全或無”的雙穩(wěn)態(tài)表達(dá)模式?jīng)Q定了白-灰轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)特征。進(jìn)一步研究表明，WOR1基因通過一種自身正反饋的機(jī)制維持在灰菌細(xì)胞中的高水平表達(dá)，從而維持穩(wěn)定的灰菌狀態(tài)。敲除WOR1基因阻斷了白-灰轉(zhuǎn)換，細(xì)胞鎖定于白菌狀態(tài)；在野生型菌株中過表達(dá)WOR1基因則鎖定細(xì)胞于灰菌狀態(tài)。序列分析和染色體免疫共沉淀實(shí)驗(yàn)表明，MTLa1/alpha2復(fù)合體結(jié)合于WOR1基因啟動子上，抑制了WOR1基因的表達(dá)，從而抑制了MTLa/alpha菌株進(jìn)行白-灰轉(zhuǎn)換和交配。在MTLa/alpha菌株中上位表達(dá)WOR1基因可以促進(jìn)灰菌細(xì)胞形成。這些結(jié)果進(jìn)一步說明了WOR1就是白-灰轉(zhuǎn)換調(diào)控的關(guān)鍵基因！

對調(diào)控白-灰轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵基因的研究解釋了白-灰轉(zhuǎn)換的隨機(jī)性和雙穩(wěn)態(tài)特征，也為其他物種（如細(xì)菌）中普遍存在的雙穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究提供了模板。2006年8月，該研究發(fā)表在著名雜志PNAS上，廣獲業(yè)界好評。黃廣華也因此為自己打響了科研生涯中的“第一炮”，從而為他今后的在又一次白念珠菌研究上的又一次成功解碼埋下了良好伏筆。

解題二：查找“調(diào)控專家”CO2和GlcNAc

人體腸道的白念珠菌究竟是利用什么宿主微環(huán)境因子，從而達(dá)到促進(jìn)白-灰轉(zhuǎn)換并進(jìn)行高效率交配的？自白-灰形態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)現(xiàn)以來，這一問題成為長期困擾白念珠菌研究工作者的難題之一。

2006年，懷揣攀登科研高峰夢想的黃廣華憑借出色的表現(xiàn)獲取進(jìn)入美國深造的機(jī)會，先后在美國Wistar Institute和美國艾奧瓦大學(xué)從事博士后研究工作，這一待就是四年時間。在Soll實(shí)驗(yàn)室，黃廣華迎來了自己研究生涯中的又一次重大發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)兩種宿主體內(nèi)信號分子CO2和乙酰葡糖胺（GlcNAc）在白念珠菌白-灰轉(zhuǎn)換和有性生殖的調(diào)控中所起到的重要作用。

有性生殖對于致病真菌的進(jìn)化和真菌迅速的適應(yīng)變化的宿主內(nèi)微環(huán)境都至關(guān)重要。白念珠菌是一種雙倍體真菌，它必須經(jīng)過白菌到灰菌的形態(tài)轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)行交配。然而，體外實(shí)驗(yàn)表明，體溫（37℃）條件下灰菌非常不穩(wěn)定，很容易迅速轉(zhuǎn)換為白菌。怎樣使得主要共生于人體或其他溫血動物腸道黏膜的白念珠菌在生理?xiàng)l件下仍能進(jìn)行白-灰轉(zhuǎn)換和交配？是一個困惑該領(lǐng)域多年的難題。

CO2不僅是呼吸代謝的終產(chǎn)物，也是一種重要的信號分子。人體腸道CO2濃度是空氣中CO2濃度的上百倍。通過實(shí)驗(yàn)觀察，黃廣華及其同事發(fā)現(xiàn)生理濃度的CO2可以促進(jìn)白菌向灰菌轉(zhuǎn)換，并抑制灰菌向白菌轉(zhuǎn)換。這種促進(jìn)作用部分通過激活Ras-cAMP途徑達(dá)到的。進(jìn)一步研究表明，白-灰轉(zhuǎn)換和交配密切相關(guān)，高濃度CO2明顯提高了白菌細(xì)胞交配效率。

之后一段時間，黃廣華和當(dāng)時的團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了另一個白-灰轉(zhuǎn)換誘導(dǎo)因子——乙酰葡糖胺（G l c N A c）。GlcNAc是腸道細(xì)菌細(xì)胞壁和腸道黏膜的重要組成成分之一。與CO2對白-灰轉(zhuǎn)換的誘導(dǎo)作用不同，GlcNAc主要通過激活Ras1/cAMP途徑，從而促進(jìn)白-灰轉(zhuǎn)換。

通過進(jìn)一步研究表明，GlcNAc和CO2對灰菌形成的誘導(dǎo)有協(xié)同作用。聯(lián)合使用GlcNAc和CO2將使灰菌形成的誘導(dǎo)作用達(dá)到最大化。更重要的是體溫（37℃）條件下GlcNAc和CO2也可以促進(jìn)灰菌形成。

這一系列研究證明了宿主內(nèi)環(huán)境因子GlcNAc和CO2在白念珠菌白-灰轉(zhuǎn)換和有性生殖中起非常重要的作用，揭示了白念珠菌在長期進(jìn)化中巧妙地利用自身與宿主及其他共生細(xì)菌之間復(fù)雜的三邊關(guān)系調(diào)控形態(tài)的轉(zhuǎn)換和有性生殖過程，為更好地了解該人體病原菌對宿主微環(huán)境的適應(yīng)和進(jìn)化提供了理論依據(jù)，也為真菌有性生殖研究提供了范本。兩項(xiàng)成果分別發(fā)表在2009年2月的Current Biology和2010年3月的Plos Pathogens上引來國際同行的廣泛關(guān)注。

2010年11月對黃廣華來說有著特殊的寓意，學(xué)成歸國的他迎來了嶄新的起點(diǎn)。憑借中科院“百人計(jì)劃”啟動經(jīng)費(fèi)的支持，他在中科院微生物所建立起來的白念珠菌功能基因組學(xué)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)初具規(guī)模。立足于我國對白念珠菌的形態(tài)發(fā)生與毒力的分子機(jī)制缺乏深入的了解，目前有效抗真菌藥物的數(shù)量稀少且價格昂貴的局面，他將實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)定為通過深入研究白念珠菌形態(tài)和毒性基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)以及該菌與宿主的相互作用，揭示其致病機(jī)理，尋找新的抗真菌藥物靶點(diǎn)，為藥物開發(fā)提供理論依據(jù)，目前相關(guān)工作進(jìn)展順利，展現(xiàn)出良好的前景。

新征程，新起點(diǎn)，預(yù)示著美好的新希望。面對未來，黃廣華躊躇滿志，但不盲目自大。正如他所說“白念珠菌研究只我研究萬里長征里的一個起點(diǎn)，未來還有更多艱辛的路要走，希望更多有志之士加入到我的團(tuán)隊(duì)中來，將這項(xiàng)利國利民的研究之路擴(kuò)展得更寬，更廣，更長。