蛹虫草SET结构域基因家族的系统鉴定及其通过组蛋白甲基化调控虫草素生物合成的功能解析

《Scientific Reports》：Identification and functional analysis of the SET domain-containing gene family in Cordyceps militaris

本研究针对蛹虫草中SET结构域基因家族功能未知的问题，开展了全基因组鉴定与功能分析。研究人员通过生物信息学筛选出22个CmSETs基因，解析其系统进化、结构特征及表达模式，并发现盐胁迫和丙氨酸处理可上调CmSET14与CmSET16的表达。通过过表达实验证实二者显著促进虫草素合成，首次揭示了SET基因家族在蛹虫草次级代谢中的表观遗传调控作用，为真菌活性产物增产提供了新策略。

　　

在真菌世界中，蛹虫草（Cordyceps militaris）以其丰富的药用价值备受关注，尤其是其核心活性成分虫草素（cordycepin）在抗肿瘤、免疫调节等领域展现出巨大潜力。然而，虫草素的天然产量低、合成调控机制不明确，成为制约其开发的瓶颈。近年研究发现，表观遗传修饰（epigenetic modification）尤其是组蛋白甲基化，能够通过改变染色质状态直接调控真菌次级代谢产物的合成。SET结构域作为组蛋白赖氨酸甲基转移酶（HKMTs）的核心催化域，在多种真菌中已被证实可影响致病性、环境应激响应及代谢物合成，但蛹虫草中SET基因家族的功能仍属空白。

为解决这一问题，江西科技师范大学江西省天然微生物药物研究重点实验室的研究团队在《Scientific Reports》上发表了题为“Identification and functional analysis of the SET domain-containing gene family in Cordyceps militaris”的研究论文。该研究首次对蛹虫草SET基因家族进行全基因组系统性鉴定，并深入探讨其在虫草素生物合成中的调控作用。

研究团队首先从NCBI数据库获取蛹虫草基因组数据，通过HMMER搜索和结构域分析鉴定出22个SET结构域基因（CmSETs），并对其染色体分布、基因结构、蛋白理化性质及亚细胞定位进行系统分析。结果显示，CmSETs分布于7条染色体上，数量与染色体长度正相关；蛋白等电点（pI）以酸性为主，多数定位于细胞核或线粒体；基因结构差异显著，如CmSET5含6个内含子，而4个基因无内含子。通过最大似然法构建蛹虫草与酿酒酵母（S. cerevisiae）、裂殖酵母（S. pombe）、粗糙脉孢菌（N. crassa）和构巢曲霉（A. nidulans）的多物种系统进化树，发现Suv4-20、SET1、SETD2和SET_EZH亚家族在五类真菌中高度同源。尤为重要的是，研究在蛹虫草中首次鉴定出与H3K27甲基化相关的SET_EZH同源基因CmSET8，表明蛹虫草可能保留了这一在多数丝状真菌中已缺失的表观修饰机制。

为验证CmSETs与虫草素合成的关联，团队利用前期转录组数据（NCBI登录号PRJNA770191、PRJNA902538）分析盐胁迫（0%-7% NaCl）和丙氨酸处理（0%-1.2% L-alanine）下CmSETs的表达模式。热图分析显示，不同处理条件下基因表达呈现浓度依赖性差异，其中CmSET14和CmSET16在两种处理中均显著上调。通过农杆菌介导的遗传转化技术构建过表达株系，表型分析发现过表达株菌丝直径和生物量均优于野生型，且虫草素产量显著提升，尤以OE-CmSET16b株系最高。这一结果直接证实CmSET14和CmSET16正调控虫草素合成。

本研究创新性地将SET基因家族分类与功能验证相结合：CmSET14属于SET_LSMT亚家族（非组蛋白甲基转移酶），而CmSET16为未明确分类的SET基因。研究还指出，虽通过过表达验证了功能，但基因敲除或干扰实验仍是未来深入机制研究的必要补充。

关键技术方法概述

研究采用全基因组HMMER搜索鉴定SET基因；通过ClustalW和MEGA11进行多序列比对与系统进化分析；利用RNA-seq数据（源自蛹虫草盐胁迫及丙氨酸处理样本）分析基因表达；借助农杆菌转化法构建过表达株系；使用HPLC（Zorbax SB-C18反相色谱柱）定量虫草素。

研究结果

1. 1.
   CmSETs的全基因组鉴定与特征分析
   22个CmSETs在染色体上呈非均匀分布，蛋白长度、分子量及稳定性差异显著。亚家族分类涵盖SET1、SETD2、Suv4-20、SET_EZH等7类，其中SET_LSMT亚家族成员可能参与非组蛋白甲基化。

1. 2.
   系统进化与结构比较
   多物种进化树显示SET基因可分为5个分支（C1-C5），蛹虫草与丝状真菌（如N. crassa）同源性高于单细胞酵母。SET_EZH亚家族的同源基因保留提示蛹虫草可能存在H3K27me3修饰通路。

1. 3.
   胁迫条件下CmSETs的表达模式
   盐胁迫与丙氨酸处理均诱导CmSETs差异表达，其中CmSET14和CmSET16为共同上调基因，暗示其与环境应激及代谢调控的关联。

1. 4.
   过表达株系的表型与代谢物分析
   过表达CmSET14和CmSET16显著促进菌丝生长及虫草素积累，证明其直接参与次级代谢调控。

结论与意义

本研究首次系统揭示蛹虫草SET基因家族的多样性及其在虫草素合成中的正向调控作用，为真菌表观遗传调控网络提供了新视角。结果不仅深化了对SET基因在丝状真菌中功能演化的理解，更为通过表观遗传工程提升药用真菌活性产物产量提供了理论依据与实践路径。未来需进一步解析CmSETs的具体底物与下游通路，以全面揭示其分子机制。