协调的基因家族进化塑造了二形性毛霉目真菌的基因组

一株真菌，两种形态

有些真菌能过“双重生活”，在单细胞的“酵母”形态和分支的“霉菌”形态之间切换。这种变形能力有助于它们在不断变化的环境中存活，并在某些情况下入侵人类组织。本文概述的研究揭示了其中一类真菌——毛霉目——如何在单一基因组内重组并利用基因来支持两种生活方式。

为什么会关心会变形的真菌

二形性真菌不仅在生态上重要，对人类健康也很关键。在毛霉目中，酵母形态由分离的圆形细胞组成，偏好低氧、高糖的环境，通过芽殖生长；菌丝形态则形成长丝，适合富氧环境并能入侵组织和表面。在若干毛霉目物种中，只有丝状形态具有强烈的致病性，会导致黏菌病，这是免疫功能低下人群中的一种严重疾病。理解这些真菌如何切换形态，可以揭示它们为何适应性强、为什么对某些药物耐受，以及哪些遗传特征将危险的二形性物种与无害近亲区分开来。

为切换而构建的基因组

作者将研究集中在模式真菌Mucor lusitanicus上，并跟踪其四个阶段：酵母、早期菌丝、向酵母的逆向切换以及成熟菌丝。通过测序RNA，他们测量了每一状态下哪些基因处于活跃状态。结果发现约有70%的基因在形态转换期间改变了活性，这远高于许多其他真菌。酵母细胞倾向于启动基本代谢和细胞构建模块的基因，而菌丝体则偏好参与内部信号传导和细胞骨架的基因，以支持丝状生长。这种广泛的重编程表明，二形性并非微小调整，而是一次对整个有机体的重构。

分化职责的重复基因

一个关键发现是，许多基因成对或成小家族存在，其拷贝已专门化以适应某一形态。研究团队首先重审了一个已知例子：两种铁氧化酶基因和两种铁转运基因一起负责铁的摄取——铁是必需的营养物质。每对中的一个成员在酵母中被使用，另一个在菌丝中使用。敲除酵母特异性拷贝会削弱酵母生长但对菌丝生长影响不大，反之亦然。将这一分析扩展到整个基因组，研究者识别出490个此类“二形性家族”，其中至少有一个拷贝在酵母中特异性表达而另一个在菌丝中特异性表达。总体上，大约每九个基因中就有一个属于这样的家族，涵盖许多不同的细胞功能。这表明，与其依赖单一版本的蛋白在所有环境中发挥作用，真菌更倾向于进化出两套版本，分别针对液体、低氧的酵母生活与固体、富氧的菌丝生活的截然不同条件进行调优。

背靠背的基因与新的调控开关

基因组不仅复制基因，还以特殊布局排列它们。例如，许多铁摄取基因成“首尾相对（head-to-head）”配对：两基因朝相反方向排列，共享一个中央调控区。这样的一对在酵母中活跃，邻近的一对在菌丝中活跃。实验性地交换这些共享调控区会翻转每个基因的启动时间，证明这种排列可作为协调开关起作用。全基因组调查发现了超过一千对这样的首尾相对基因，其中有数百对参与二形性。酵母和菌丝相关配对的共享调控区携带不同的DNA基序，表明它们被不同的调控因子识别。

主控调节因子与进化线索

为了找到这些调节因子，研究者用铁摄取基因的共享调控DNA作“饵”去捕获结合该区域的蛋白。他们鉴定出两种此前未被描述的蛋白，命名为DFL和DKL，并构建了分别缺失这两个基因的突变株。这些突变株表现出严重的切换紊乱：DKL突变株完全丧失形成酵母的能力，两种突变株都失去了数千个二形性相关基因的正常激活模式。在相关物种的比较中，研究组发现呈二形性的毛霉目倾向于保留重复的、形态特异的基因家族、首尾相对结构以及dfl基因，而不发生形态切换的近缘真菌往往缺少这些特征。这一模式表明，这些基因组特征作为一套工具共同进化以支持二形性，并可作为预测哪些物种可能发生形态转换的标记。

这对真菌疾病意味着什么

简言之，这项工作表明毛霉目真菌已围绕着“两种生活”这一挑战重塑其基因组。它们通过复制重要基因、将一份调优给酵母、另一份调优给菌丝、把许多基因连入背靠背的控制单元，并使用专门的调控因子来协调何时使用哪一个版本来实现这一点。由于侵袭性、致病的形态通常是菌丝体，且一些受影响的基因参与铁摄取和药物敏感性，这些见解为预测哪些真菌可能变得危险以及设计干扰其形态切换能力的治疗策略指明了方向。

引用: Tahiri, G., Navarro-Mendoza, M.I., Lax, C. et al. Coordinated gene family evolution shapes the genome of dimorphic Mucorales. Nat Commun 17, 2148 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68866-7

关键词: 真菌二形性, 毛霉目, 基因复制, 基因组调控, 真菌致病性