真菌和植物中的质膜叶酸转运是由寡肽转运蛋白（OPT）家族的成员介导的

《Biochemical Journal》：Plasma membrane folate transport in fungi and plants is mediated by members of the oligopeptide transporter (OPT) family

叶酸转运蛋白研究揭示真菌与植物中OPT家族成员的功能多样性。通过合成致死筛选和功能互补实验，发现酿酒酵母Opt1p不仅转运谷胱甘肽，还能高效转运叶酸及其代谢物（如叶酸、甲酰四氢叶酸）。进一步分析白念珠菌CaOPT1和曲霉AfOPTB、AfOPTH，以及拟南芥AtOPT2、AtOPT4、AtOPT6均证实其叶酸转运能力。Alanine扫描突变体筛选鉴定出关键残基（如L231、S427、Y449等），并构建进化树揭示OPT家族在真菌和植物中的分布特征。该发现为抗真菌药物和植物叶酸生物强化提供了新靶点。

　　本研究围绕叶酸（Folate）的跨膜运输机制展开，探讨了其在酵母、真菌和植物中的存在及功能。叶酸是所有生物体不可或缺的代谢物，它在细胞代谢中发挥着重要作用，例如在细胞分裂、DNA合成和甲基化反应中起关键作用。尽管哺乳动物无法通过自身合成叶酸，只能依赖饮食获取，但酵母、真菌和植物却具备自主合成叶酸的能力。然而，长期以来，关于这些生物是否具备跨膜运输叶酸的转运蛋白一直不清楚。本研究通过遗传学方法和功能分析，揭示了叶酸转运蛋白的存在，并进一步探讨了其在不同物种中的分布和作用机制。

在酵母 *Saccharomyces cerevisiae* 中，叶酸的合成涉及多个基因，如 FOL2、FOL1 和 FOL3。这些基因的缺失会导致酵母成为叶酸依赖型（auxotrophs），但若同时缺失叶酸转运蛋白，则会表现出严重的生长缺陷。这一现象暗示了叶酸可能通过特定的跨膜转运蛋白进入细胞。为了验证这一假设，研究团队采用了合成致死（synthetic lethal）筛选方法，通过将叶酸合成基因 FOL2 的缺失与不同转运蛋白的缺失组合，观察其是否导致酵母无法生长。结果显示，只有在 OPT1 基因缺失的情况下，酵母才无法在叶酸缺失的培养基中生长，这表明 OPT1 可能是叶酸的跨膜转运蛋白。

进一步的研究发现，OPT1 编码的蛋白 Opt1p/Hgt1p 不仅能运输谷胱甘肽（GSH），还能运输叶酸的衍生物，如叶酸和甲基四氢叶酸（MTHF）。这一发现令人意外，因为 GSH 是一种三肽，而叶酸则是由蝶呤、对氨基苯甲酸（PABA）和谷氨酸组成的三部分结构。尽管它们的结构不同，但 Opt1p 显示出对这两种分子的运输能力。为了更精确地确定哪些氨基酸残基对于叶酸的运输至关重要，研究团队使用了定点突变技术，对 Opt1p 的跨膜结构域（TMDs）进行了分析。结果显示，某些残基对叶酸的运输具有特异性，而另一些则对 GSH 的运输更为关键。

研究还发现，Opt1p 在酵母中不仅负责叶酸的运输，同时也是 GSH 的唯一跨膜转运蛋白。这种双重功能表明，Opt1p 在细胞内具有重要的代谢调控作用。在其他真菌中，如 *Candida albicans* 和 *Aspergillus fumigatus*，研究团队发现了类似的叶酸转运蛋白。其中，*C. albicans* 的 CaOPT1 和 *A. fumigatus* 的 OptB 和 OptH 被确认为叶酸转运蛋白。有趣的是，尽管 CaOPT1 与酵母的 ScOPT1 在序列上相似，但它在运输 GSH 方面的功能已被其他蛋白替代，而 OptB 和 OptH 则在 *A. fumigatus* 中表现出对叶酸的特异性运输能力。

在植物中，如 *Arabidopsis thaliana*，研究团队也发现多个 OPT 家族成员具有叶酸运输能力。AtOPT2、AtOPT4 和 AtOPT6 被确认为叶酸转运蛋白。这表明，在植物中，叶酸的运输可能通过多个转运蛋白协同完成，这与酵母和真菌中单一转运蛋白的运输模式有所不同。此外，研究还发现这些转运蛋白在不同植物组织中可能具有不同的表达模式，这提示了它们在植物不同生长阶段或特定细胞器中的功能分化。

叶酸的跨膜运输在真菌和植物中具有重要的生理意义。在真菌中，尽管它们能够合成叶酸，但某些情况下，外源叶酸的摄入可能是其维持正常生长所必需的。同样，在植物中，叶酸的运输可能影响其在不同细胞器中的分布，进而影响代谢过程。因此，识别这些转运蛋白不仅有助于理解叶酸代谢的复杂性，也为开发针对真菌和植物的新型药物提供了理论依据。例如，甲氨蝶呤（methotrexate）是一种常用的抗叶酸药物，研究发现，Opt1p 的过表达会增强酵母对甲氨蝶呤的敏感性，这可能是因为 Opt1p 在运输甲氨蝶呤方面也发挥了作用。

此外，研究还揭示了 OPT 家族成员在进化过程中的功能分化。尽管某些 OPT 成员在不同物种中具有相似的序列，但其功能可能因物种而异。例如，在 *C. albicans* 中，CaOPT1 被证实为叶酸转运蛋白，而 CaOPT7 则负责 GSH 的运输。这种功能的分化可能与进化压力和代谢需求有关。而在 *A. fumigatus* 中，OptB 和 OptH 都表现出对叶酸的运输能力，这提示了某些真菌可能需要多个转运蛋白来满足叶酸的运输需求。

从功能角度来看，叶酸的跨膜运输可能涉及多个机制。在酵母中，Opt1p 的运输能力与 GSH 有部分重叠，但某些特定的残基则对叶酸的运输更为关键。这表明，尽管 OPT 家族成员在结构上可能相似，但其在不同物种中的运输机制可能具有特异性。例如，在 *A. thaliana* 中，AtOPT2 和 AtOPT4 的运输能力在叶酸和 GSH 的运输中都表现突出，而 AtOPT6 的运输能力则主要依赖于 GSH 的存在。这种差异可能反映了植物中不同的叶酸运输需求。

本研究还对叶酸的运输能力进行了定量分析。通过使用液相色谱-质谱联用技术（LC-MS/MS），研究团队能够检测不同时间点细胞内叶酸的浓度变化。结果显示，Opt1p 在酵母中能够高效运输叶酸，并且其运输能力与 GSH 有部分重叠。然而，由于叶酸的结构较为复杂，某些运输机制可能需要特定的识别位点，而这些位点可能与 GSH 的识别位点不同。

在植物中，叶酸的运输可能更加复杂，因为其代谢途径在细胞器之间分布。例如，叶酸的合成可能涉及线粒体和叶绿体，而叶酸的跨膜运输可能发生在多个层次。研究发现，AtOPT2、AtOPT4 和 AtOPT6 都能够运输叶酸，这表明植物可能通过多个转运蛋白实现叶酸的摄入和分布。这一发现对于理解植物中的叶酸代谢机制具有重要意义。

本研究的发现不仅填补了叶酸代谢领域的知识空白，还为相关疾病的治疗提供了新的思路。例如，真菌感染是全球性的公共卫生问题，而叶酸代谢途径在真菌中存在，这使得通过干扰叶酸运输机制来抑制真菌生长成为一种可能的治疗策略。此外，叶酸的缺乏可能导致孕妇出现贫血和胎儿发育异常，因此，通过调控植物中的叶酸运输蛋白，提高叶酸含量，可能成为解决这一问题的有效手段。

从技术方法上看，本研究采用了多种实验手段，包括遗传学筛选、功能互补实验、定点突变分析以及分子对接模拟。这些方法的综合运用，使得研究团队能够准确识别叶酸转运蛋白，并进一步分析其运输机制。此外，研究还通过比较不同物种中的 OPT 家族成员，揭示了它们在进化过程中的功能分化，为未来的功能研究提供了基础。

总体而言，本研究通过系统分析酵母、真菌和植物中的 OPT 家族成员，确认了它们在叶酸运输中的作用。这一发现不仅加深了我们对叶酸代谢机制的理解，也为相关疾病的治疗和农业生物技术的发展提供了新的方向。未来的研究可以进一步探讨这些转运蛋白在细胞内的具体作用机制，以及它们在不同生理条件下的表达模式。同时，针对这些转运蛋白的靶向药物开发也可能成为治疗真菌感染和改善叶酸缺乏的新策略。