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这篇论文聚焦白色念珠菌（Candida albicans）在铁（Fe）饥饿时的代谢变化。研究发现，Fe 饥饿抑制丙酮酸脱氢酶（PDH）活性，引发碳代谢重塑，激活旁路途径和替代代谢方式。该成果为抗真菌策略提供新思路，值得关注。
研究背景
铁（Fe）是几乎所有生命形式所必需的微量元素，在感染过程中，宿主会通过营养免疫机制限制病原体获取铁，以此抑制微生物生长。白色念珠菌（Candida albicans）作为人类最常见的机会性真菌病原体，在宿主环境中会经历铁可用性的大幅波动。在胃肠道中作为共生菌时，它能接触到丰富的铁；但在感染阶段，宿主会限制其铁供应，例如在播散性念珠菌病的小鼠模型中，血液铁水平显著下降，且在真菌入侵肾脏时，肾脏髓质的真菌病变部位会形成铁排斥区。
此前已知白色念珠菌对铁饥饿的适应性反应多发生在转录水平，主要通过真菌转录调节因子 SEF1 诱导铁转运基因表达来应对铁匮乏。然而，对于白色念珠菌在铁饥饿时的细胞代谢反应，人们了解较少。在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中，铁饥饿会显著影响葡萄糖代谢，但由于酿酒酵母是 Crabtree 阳性酵母（高糖会抑制呼吸），而白色念珠菌是 Crabtree 阴性酵母（高糖时仍继续呼吸），所以酿酒酵母的研究结果不一定适用于白色念珠菌。
材料和方法
- 菌株和生长条件：使用多种白色念珠菌和酿酒酵母菌株，如白色念珠菌的野生型（WT）菌株 SN250、SC5314 及其 sef1Δ/Δ 突变体，酿酒酵母的 WT 菌株 BY4741 及其 lat1Δ、gcv3Δ、lip2Δ 突变体等。通过制备缺铁的酵母氮碱基培养基或在培养基中添加不同浓度的 FeCl3，营造铁饥饿或铁充足的生长条件。
- RNA 分析：采用 RNA 测序（RNA-seq）和定量逆转录聚合酶链反应（qRT-PCR）技术。RNA-seq 用于分析白色念珠菌野生型和 sef1Δ/Δ 突变体细胞在铁饥饿和铁充足条件下的基因表达变化；qRT-PCR 用于对特定基因的表达进行验证，实验过程包括细胞培养、RNA 提取、cDNA 合成及 PCR 扩增等步骤。
- 测量细胞内铁含量：通过定量电感耦合等离子体质谱法或 BPS 测定法，测量白色念珠菌在铁饥饿和铁充足条件下细胞内的铁含量。
- 免疫印迹研究：制备细胞裂解物，进行蛋白质免疫印迹实验，使用针对丙酮酸脱氢酶 E2/E3bp、脂酸、PDH E1 alpha、SOD2 等的抗体，检测相关蛋白的表达水平。
- 生化测定：包括测量培养物中的葡萄糖含量、丙酮酸脱氢酶（PDH）和 α - 酮戊二酸脱氢酶（KGD）的活性，以及戊糖磷酸途径（PPP）产生 NADPH 的能力。
结果与讨论
- RNA-seq 分析铁饥饿反应：RNA-seq 结果显示，在铁饥饿条件下，白色念珠菌野生型细胞中参与铁摄取（如 FTR1、FRE4、FRE5、SIT1、FRP1、RBT5）和铁调节的 Cu-only 超氧化物歧化酶 SOD4 的基因显著上调，而 sef1Δ/Δ 突变体则无此变化。同时，铁饥饿还导致蛋白质翻译相关基因（如核糖体蛋白和氨基酸生物合成途径基因）、消耗铁的过程相关基因（如生物素合成、线粒体血红素蛋白、铁结合 pirins 基因）以及磷酸盐转运基因 PHO84 和 FGR2 下调。此外，GO 分析发现铁饥饿对葡萄糖代谢（尤其是丙酮酸代谢）有影响，PDH 亚基和其正调节因子 PTC6 的基因在铁饥饿的 WT 和 sef1Δ/Δ 细胞中均上调，且在 sef1Δ/Δ 突变体中更为明显。
- PDH 基因在 sef1Δ/Δ 突变体中的诱导：PDH 由 E1（PDA1 和 PDB1）、E2（LAT1）、E3（LPD1）和非催化的 E3 结合蛋白（PDX1）组成，PTC6 可激活 PDH。除 LPD1 外，PDH 的所有亚基和 PTC6 在铁饥饿的 sef1Δ/Δ 突变体中均高度诱导，但该现象并非由细胞内铁含量更低所致，因为铁饥饿时 sef1Δ/Δ 突变体细胞内铁含量甚至高于野生型。同时，铁饥饿会降低细胞对葡萄糖的消耗，使细胞外葡萄糖水平升高，这可能是导致 PDA1 表达升高的原因之一，也不排除 SEF1 对 PDH 基因表达的调控作用。
- 铁饥饿对 PDH 蛋白的影响：使用识别 LAT1 的抗体检测发现，与 mRNA 结果相反，铁饥饿会使白色念珠菌 LAT1 蛋白水平下调，而 PDA1 蛋白水平在野生型细胞中未受影响，在 sef1Δ/Δ 突变体中虽整体水平较低但也未因铁饥饿而下降。体外 PDH 活性检测表明，铁饥饿会显著降低白色念珠菌和酿酒酵母的 PDH 活性，这与 LAT1 蛋白的缺失一致。此外，酿酒酵母在铁饥饿时也会出现 LAT1 蛋白丢失的情况，且此前研究发现铁饥饿的酿酒酵母会积累大量丙酮酸，很可能是由于 PDH 抑制导致。
- 铁饥饿与酵母蛋白脂酰化：LAT1 的辅因子是脂酸，其合成依赖于含 Fe-S 簇的脂酰合酶 LIP5。研究发现，铁饥饿会显著降低白色念珠菌和酿酒酵母中脂酰化 LAT1 和 KGD2 的水平，同时 KGD 活性也大幅下降。在酿酒酵母的 lip2 和 gcv3 脂酰化突变体中，即使在铁充足条件下，LAT1 蛋白也无法检测到，说明抑制 LAT1 脂酰化会触发酵母中 LAT1 蛋白的丢失或周转，而这一现象在哺乳动物中并不常见。综合来看，铁饥饿对白色念珠菌 PDH 有两种独立影响：一是在 mRNA 水平上诱导 PDH 亚基和 PTC6 的表达，二是导致 LAT1 蛋白丢失，且后者可能是由于脂酰化抑制或其他铁饥饿效应引发的。
- PDH 缺失和铁饥饿对碳代谢的影响：PDH 在葡萄糖代谢中起着关键作用，连接糖酵解与三羧酸循环（TCA）和线粒体呼吸。铁饥饿时，白色念珠菌的 TCA 循环基因并未整体受到抑制，但 KGD 亚基和 Fe-S ACO2 受到抑制，同时 CIT1（参与乙醛酸循环）及其相关基因 ICL1 和 MLS1 显著诱导，表明乙醛酸循环在铁饥饿时被上调。此外，铁饥饿还会诱导戊糖磷酸途径（PPP），其中 NADPH 产生相关基因 ZWF1 和 GND1 显著上调，且细胞内 NADPH 产生增加，但 PDH 缺失可能不是诱导 PPP 的唯一因素。在铁饥饿条件下，为了应对 PDH 缺失导致的乙酰辅酶 A（Ac-CoA）供应不足，白色念珠菌会激活丙酮酸旁路和脂肪酸氧化途径来产生 Ac-CoA，相关基因（如 PDC11、ALD5、ACS1、ACS2、ADH2、CTN1、CAT2、CTN3、HPD1、EHD3、ALD6 等）均上调。
研究结论
该研究揭示了白色念珠菌在铁饥饿时碳代谢的新反应。铁饥饿会抑制线粒体 PDH 的活性，这是由于 LAT1 催化亚基的丢失，而这种抑制作用在白色念珠菌和酿酒酵母中普遍存在，可能在暴露于慢性铁饥饿的真菌物种中广泛存在。尽管如此，白色念珠菌可以通过增强各种产生 Ac-CoA 的旁路途径、诱导 PPP 和乙醛酸循环等方式，适应铁饥饿环境。这些适应性变化有助于白色念珠菌在感染过程中存活，例如在播散性念珠菌病中，肾脏感染部位的白色念珠菌会发生类似的碳代谢变化。未来，针对这些补偿性碳代谢机制的研究可能为治疗真菌感染提供新的策略。
