白色念珠菌羟基苯与芳香族氨基酸代谢的功能与调控关联：多组学分析与基因组尺度建模揭示的代谢可塑性新机制

本研究通过多组学整合分析与基因组尺度代谢模型，揭示了白色念珠菌（Candida albicans）在氨基酸饥饿条件下通过Shikimate途径（SHKP）与3-氧己二酸途径（3OAP）的协同调控实现代谢重塑的新机制。研究发现转录因子Stp2和Zcf25介导了芳香族氨基酸（AAA）与羟基苯代谢的交叉调控，为理解真菌宿主适应性和致病性提供了新的代谢视角。

　　

ABSTRACT

白色念珠菌（Candida albicans）作为人类常见共生真菌和机会性病原体，其代谢可塑性是适应宿主环境、逃避免疫攻击和维持毒力的关键。氨基酸代谢稳态对真菌适应性至关重要，特别是在氨基酸饥饿时发生的快速代谢转换可恢复细胞内平衡。本研究通过数据驱动的基因组尺度代谢建模，基于转录组和代谢组分析，揭示了白色念珠菌在氨基酸饥饿条件下的特异性代谢通量和途径活动。研究发现，在氨基酸限制下，Shikimate途径（SHKP）活性改变，同时芳香族氨基酸（AAA）生物合成和羟基苯分解代谢所需的代谢基因簇（MGC）被诱导。表型和转录分析进一步验证了转录因子Zcf25作为该途径儿茶酚分支的核心调控因子，以及由Zcf25和氨基酸代谢调控因子Stp2介导的AAA与羟基苯代谢的条件特异性共调控。这些发现提出了白色念珠菌中氨基酸与羟基苯代谢之间前所未有的代谢联系，为其代谢可塑性增加了新的层次。

INTRODUCTION

白色念珠菌作为人类共生真菌，在易感个体中可引起浅表至危及生命的系统性感染。其代谢灵活性使其能够适应动态环境条件，如营养可用性变化。氨基酸代谢在此背景下扮演核心角色，真菌通过 specialized 酶和转运蛋白（如氨基酸通透酶AAPs）优先摄取外部氨基酸。SPS传感系统及其下游效应因子转录因子Stp2是细胞外氨基酸利用的关键调控者。Stp2缺失株（stp2Δ）在氨基酸丰富培养基中生长受损，但通过代谢适应可重新建立稳态，表明存在补偿机制。

RESULTS

Deletion of Stp2 results in global metabolic changes and delayed response to extracellular amino acids

通过全局代谢组学分析，研究发现stp2Δ细胞在氨基酸丰富培养基（SC和CAA）中表现出代谢物积累趋势，特别是脂质相关代谢物减少。主成分分析（PCA）显示，stp2Δ在氨基酸丰富条件下代谢响应延迟，但通过补偿机制最终实现代谢适应。KEGG富集分析表明，stp2Δ中糖酵解/糖异生、半乳糖代谢和精氨酸生物合成途径富集，反映了其对氨基酸丰富培养基的初始适应延迟。

Data-driven simulation of C. albicans metabolism suggests Stp2-dependent and independent metabolic rewiring upon amino acid restriction

利用基因组尺度代谢模型（GEM）进行通量变异性分析（FVA），模拟了野生型（WT）和stp2Δ在SD和SC培养基中的代谢通量。通过整合实验代谢组数据，模型预测了stp2Δ在SC培养基中芳香族氨基酸（AAA）、精氨酸和嘌呤代谢等途径的通量变化，揭示了Stp2对氨基酸限制下真菌响应的未知影响。

Metabolic modeling points to an essential role of the shikimate pathway during amino acid starvation

通量聚类分析识别出四个代谢活动簇，其中簇I反映了WT和stp2Δ在SC培养基中的主要差异。stp2Δ中39条途径的代谢反应通量显著不同，包括组氨酸、半胱氨酸和支链氨基酸（BCAA）代谢。最重要的是，AAA代谢途径的所有反应均显示通量差异，且SHKP的10个反应在stp2Δ中被预测为必需反应，表明该途径在氨基酸饥饿适应中的关键作用。

Fungal transcriptomics indicate Stp2-mediated repression of the ZCF25 MGC

转录组分析显示，stp2Δ在SC培养基中与WT相比有1200个差异表达基因（DEGs）。GO分析富集了精氨酸代谢过程等术语。最显著的是，stp2Δ中两个代谢基因簇（MGCs）——ZCF10和ZCF25簇（与羟基苯分解代谢相关）显著上调。ZCF25簇在stp2Δ中完全诱导，表明Stp2对该簇具有抑制作用。

Sequence similarity analysis predicts a connection between the 3OAP and SHKP in C. albicans

SHKP是AAA_{de novo}合成的核心途径，在多种生物中与3OAP相连。通过BLASTp分析，发现基因orf19.5655（编码推定的1,2-anthranilate dioxygenase）可能是连接SHKP和3OAP的酶。该基因在stp2Δ中上调，支持了两条途径在白色念珠菌中存在功能联系的假设。

Zcf25 is the key regulator of catechol metabolism in C. albicans and co-regulates 3OAP and SHKP together with Stp2

表型验证显示，zcf25Δ在儿茶酚作为唯一碳源时生长受损，证实了Zcf25作为3OAP儿茶酚分支的正调控因子。转录组分析进一步表明，Zcf25调控自身基因簇以及OSC1和POT1-2（负责3-氧己二酸降解的最后步骤）。在儿茶酚条件下，stp2Δ/zcf25Δ双缺失株的转录组与zcf25Δ相似，表明Zcf25在调控中占主导地位。此外，SHKP基因和anthranilate合成基因TRP2、TRP3在儿茶酚条件下显示Zcf25依赖性诱导。

DISCUSSION

本研究通过多组学整合和_{in silico}建模，详细阐述了白色念珠菌在氨基酸可用性变化下的代谢适应。研究发现stp2Δ细胞通过SHKP和3OAP的协同调控实现代谢重塑，提出了AAA与羟基苯代谢之间的功能与调控联系。3OAP在白色念珠菌中的生物学意义仍待深入探索，但其保存于CUG分支物种中表明其在机会性生活方式中具有重要功能。Zcf25作为儿茶酚利用的正调控因子，受Stp2抑制，这种调控关系可能在动态宿主条件下精细调节氨基酸代谢与降解平衡。未来研究需进一步验证SHKP与3OAP之间的酶学连接及其在宿主环境中的生理意义。

MATERIALS AND METHODS

白色念珠菌菌株培养于YPD或SD培养基，利用SAT1-FLP方法构建缺失突变体。生长实验在固体培养基上进行，碳源包括葡萄糖、SC、儿茶酚或氢醌。转录组分析通过RNA测序进行，生物信息学分析包括GO和Venn分析。代谢组学由Metabolon, Inc.完成，数据整合至基因组尺度代谢模型进行通量模拟。潜在代谢连接通过KEGG途径和文献比对验证。