Science：新研究发现Hsp90 抑制使得驯化酵母代谢麦芽糖和麦芽三糖的能力更强

生命系统依靠缓冲机制来保持其对遗传和环境扰动的稳健性，这种现象被称为“渠化（canalization）”。其中的一种缓冲机制是蛋白折叠分子伴侣热休克蛋白 90（Hsp90），它能缓冲蛋白质折叠过程中的扰动。Hsp90 可稳定一系列具有直接适应功能的蛋白；减轻有害突变的影响，使其在群体中以隐性状态积累；并将这种隐性变异的表达与超过 Hsp90 缓冲能力的蛋白毒性环境应激因素联系起来。了解 Hsp90 和其他渠化机制如何影响适应能力，并确定损害这些机制的生态应激因素，将对人类健康、生态系统可持续性和生物技术产生重要影响。

人们对自然界中驱动渠化机制的了解尚不全面，它们在医学和工业中的应用也尚不成熟。芽殖酵母为解决这些问题提供了一个理想的系统，因为它在进化过程中取得的成功是建立在明确的代谢特性上的，这些特性经过筛选，能够承受人为环境中的各种压力。鉴于Hsp90 在酵母代谢中具有多种功能，一项新的研究旨在发现破坏Hsp90 缓冲作用的生态应激因素，并揭示隐性变异。来自德克萨斯大学MD安德森癌症中心的研究人员使用亚毒性水平的 Hsp90 抑制作为环境应激的替代物，并比较了两个独立队列（共 711 种驯化酵母和野生酵母）中 12 种代谢特性对 Hsp90 抑制的稳健性。他们描述了这些稳健性机制，确定了损害这些机制的环境应激因素，并将五种独立的渠化模型的预测与适应性数据进行了对比。

相关研究结果发表在2024年7月26日的Science期刊上，论文标题为“Selection for robust metabolism in domesticated yeasts is driven by adaptation to Hsp90 stress”。

Hsp90 抑制扰乱了酵母的多个代谢特性。然而，这些代谢特性对 Hsp90 抑制的敏感性在不同的近缘酵母株之间存在很大差异。与野生酵母相比，用于啤酒和面包生产的驯化酵母在 Hsp90 抑制条件下代谢麦汁和面团中最丰富的糖（麦芽糖和麦芽三糖）的能力更强。驯化酵母出现了常见几个代谢基因的重复，这增强了麦芽糖和麦芽三糖代谢对 Hsp90 抑制的稳健性。

酵母驯化过程中的快速适应进化模式

图片来自Science, 2024, doi:10.1126/science.adi3048

暴露于发酵的主要产物——乙醇，会损害麦芽糖和麦芽三糖代谢的关键 Hsp90 依赖性调节因子，并揭示了这些途径中的隐性遗传变异。麦汁和液体酸面团中乙醇浓度的逐渐升高释放了冗余代谢基因的隐性适应效应，导致它们在这些环境中被迅速选择。来自竞争试验的结果证实了酵母驯化过程中渠化的适应价值，并驳斥了其他副产物和中性渠化方案。

综上所述，这项新的研究发现了一种长期寻找的环境渠化机制，这种机制推动了真核生物在具有重要经济意义的生态环境中的快速适应。他们的数据共同表明，在驯化以及啤酒和面包的工业化过程中，非常理想的芽殖酵母代谢特性——麦芽糖和麦芽三糖代谢，经历了对抗乙醇诱导的 Hsp90应激的渠化。稳健性的两个主要机制——基因冗余和 Hsp90 缓冲，相互作用，促进了这种渠化。

因此，这项新的研究强调了Hsp90伴随变异的进化意义，并阐明了渠化是如何使物种快速适应环境变化的。它还揭示了 Hsp90 对外源和内源（代谢）应激因素的生态相关脆弱性，从而强调了蛋白折叠对环境的深刻敏感性。通过确定 Hsp90 是渠化的一个重要机制，这项研究应能引发对疾病和生物技术中 Hsp90 依赖性变异的进一步研究。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Natalia Condic et al. Selection for robust metabolism in domesticated yeasts is driven by adaptation to Hsp90 stress. Science, 2024, doi:10.1126/science.adi3048.