大自然有一種巧妙的方式來利用有利的情況。

以假絲酵母菌為例。這種酵母在2009年還不為人知，但當科學家們了解到它會對醫院和護理機構的病人造成危及生命的侵入性感染時，它突然出現在了人們的視野中。2019年，金耳錐菌的危險非常嚴重，以至于美國疾病控制和預防中心將其列為嚴重的全球健康威脅，理由是這種酵母的傳播及其對許多抗真菌藥物的耐藥性。上個月，疾病預防控制中心報告說，美國近一半的州都發現了金黃色葡萄球菌

那么，一種簡單的未知酵母是如何突然成為公眾健康的敵人的呢?愛荷華大學(University of Iowa)的生物學家說，部分答案是在一個編碼粘性特性的基因家族中找到的，這種基因家族似乎是真菌疾病毒性的核心，包括一些威脅人類的疾病。

在一項新的研究中，研究人員報告了一個這樣的粘著蛋白家族，稱為Hil家族，存在于所有酵母物種的共同祖先中，但在致病物種中比良性物種中數量更多。此外，研究人員還發現，一些具有大型Hil基因家族的致病物種是遠親，這表明每個具有大型Hil家族的物種都是獨立進化出家族規模的，而不是基因遺傳下來的。

生物學系助理教授、該研究的共同通訊作者Bin He說，“我們發現這個基因家族在病原酵母譜系中通過基因復制而特定地反復擴大，此外，它們的序列在復制后迅速進化，可能產生了功能多樣性，使酵母適應復雜的宿主環境。”

適應因素是關鍵:Hil基因可能編碼蛋白質，使生物體成為粘合劑。更具體地說，這些蛋白質通過其結構，幫助酵母細胞粘附在宿主組織和無生命的表面(如導管)上，并將自己縫合在一起，就像環環相扣的樂高積木一樣，形成一堵幾乎不可穿透的耐藥墻，稱為生物膜。

這是最好的自然選擇，或者可以說是最邪惡的自然選擇。希爾基因在一些其他酵母物種中要么不存在，要么不活躍，比如面包師酵母，這些酵母實際上對人類有益(假設人們喜歡面包)。但研究人員發現，在致病的物種中，Hil (Hyr/Iff-like的簡稱)家族非常活躍，并對其粘附性造成嚴重破壞。

“這就是趨同進化，你找到了在環境利基領域取得成功的方法。”

研究人員對粘附蛋白家族中的蛋白質進行了測序，并搜索了所有其他生物——包括植物、動物和細菌王國——以找出是否有其他物種具有類似的蛋白質序列。他們只在一個地方發現了Hil基因家族，即酵母菌類，真菌王國的一部分。

分析揭示了另一個重要的線索:希爾家族出現在沒有近親的物種中，從分類學上講。例如，Hil 家族在C. auris和另一種致病物種白色念珠菌中存在并活躍。但當研究人員觀察每個物種的親緣關系更密切時，Hil基因的數量要么很低，要么根本不存在。

He說，“這是一種平行或獨立的進化，基本上，這些基因達到了相同的最終狀態，不是通過下降，也不是通過遺傳，而是通過獨立進化。它們都走了相似的進化道路。”

這項研究本身起源于愛荷華州的一門研究生級別的生物信息學課程。2019年秋季，該課程的講師將課程集中在C. auris上，它的5000個基因基因組最近剛剛被測序。一個學生小組決定調查C. auris對粘性的偏好。

這是一個明智而富有成效的選擇。

“我們根據帶有關鍵字的域選擇蛋白質，我們認為這些蛋白質可能與真菌病原體的粘性有關，并得出了這組粘附素，當時，在我們研究的基因組中報告了兩個小的粘附蛋白家族，所以一旦我們意識到這個(Hil)家族有多大，我們就非常確定我們在這個物種中發現了一些還沒有被特征化的東西。”

生物系教授Jan Fassler與生物學副教授Albert Erives在2013年構想了這門課程。他說，教師們會選擇文獻中出現過的、具有有趣生物學屬性的基因組。

“我們選擇了最近測序的基因組，這樣就很少有事先調查，從而讓學生們感覺他們(而且他們正在)有新的發現。”

研究人員接下來想通過實驗來調查，特別是Hil家族是如何讓C. auris成為粘合劑的。這將推動研究的發展，超越識別相關基因的范疇，并可能導致醫學進步。

“希望是這樣的:我們已經確定了一個基因家族，它可能在發病機制中發揮重要作用，并且僅限于這組真菌。如果我們能找到抑制它的方法，這可能是一個藥物靶點，”He說。

文章標題

Parallel expansion and divergence of an adhesin family in pathogenic yeasts

作者簡介：

Our lab is broadly interested in the evolution of gene regulation. An astounding discovery from sequencing genomes is how organisms as different as human and fly, or even yeast, share a significant amount of their genes. This suggests, and has been experimentally shown that, changes in how genes are regulated are a major contributor to phenotypic evolution and adaptation. We study gene regulatory evolution in the context of stress response. Essential for survival, stress response must adapt as species evolve and encounter new challenges. So far this has been understudied and should deserve our attention both for basic understanding of the evolutionary principals, and also for disease and health purposes. One such example is the adaptation of commensal yeast species to the human host, an environment that poses very different stress profiles from what is experienced by their free-living relatives. To learn more about our research, click the button below.