酵母细胞壁应激响应中mRNA合成速率与稳定性的全局变化机制研究

本研究针对酿酒酵母在细胞壁应激条件下基因表达的调控机制，通过基因组运行测序(GRO)技术揭示了Congo Red诱导的细胞壁完整性(CWI)通路响应中mRNA动态变化的独特模式。研究人员发现细胞壁应激主要通过降低mRNA合成速率(SR)而非改变稳定性(kD)来调控基因表达，同时鉴定出15%的转录本存在稳定性协同调控现象，并发现RNA结合蛋白Nab2/Hrp1可能参与应激响应。该研究为真核生物应激反应的转录-转录后协同调控提供了新见解，对病原真菌耐药机制研究具有重要启示意义。

　　

在真核生物应对环境胁迫的复杂调控网络中，细胞壁作为真菌抵御外界压力的第一道屏障，其应激响应机制尚未完全阐明。虽然氧化应激、渗透压应激等条件下的基因表达调控已有深入研究，但细胞壁完整性(Cell Wall Integrity, CWI)通路介导的转录后调控仍存在显著知识空白。传统研究多聚焦于转录因子Rlm1介导的转录激活，而mRNA稳定性(k_D)在应激响应中的作用长期被忽视。这种认知局限直接影响了对病原真菌耐药机制的深入理解，也阻碍了新型抗真菌药物的开发策略。

西班牙瓦伦西亚大学(Universitat de Valencia)BIOTECMED研究所与马德里康普顿斯大学(Universidad Complutense de Madrid)的研究团队在《Scientific Reports》发表的研究中，创新性地采用基因组运行测序(Genomic Run-On, GRO)技术，结合细胞体积动态校正方法，系统解析了Congo Red诱导的细胞壁应激下全基因组mRNA合成速率(SR)、丰度([mRNA])和降解常数(k_D)的时程变化。研究通过比较转录组动力学分析(cDTA)框架，揭示了不同于其他应激类型的独特调控模式。

关键技术方法包括：1) GRO技术定量全基因组转录延伸活性；2) 流式细胞术校正应激诱导的细胞体积变化；3) 硫脲素转录关闭法验证mRNA半衰期；4) 生物信息学分析转录因子(Rlm1/Met32/Rpn4)和RNA结合蛋白(Nab2/Hrp1)的调控网络。

全局动力学特征
研究发现细胞壁应激导致mRNA总量适度下降至初始水平的70%，主要源于SR降低而非稳定性改变。这与热激等应激中显著的mRNA destabilization形成鲜明对比。值得注意的是，细胞体积在应激4小时内渐进性增大1.6倍，这种独特的生理响应需要通过体积校正才能准确计算SR和[mRNA]。

基因特异性调控模式
通过SOTA聚类算法将4,468个基因分为9类，发现15%的基因(主要涉及细胞壁组织、己糖代谢等功能)呈现SR与k_D的协同变化。典型如：

• 簇2基因(如KDX1)通过SR提升2.5倍和k_D降低实现mRNA积累
• 簇7基因(如APE1)虽SR增加但被mRNA destabilization抵消，形成"转录缓冲"现象
  验证实验显示KDX1 mRNA半衰期从14分钟延长至19分钟，与GRO预测的稳定性变化高度一致。

关键调控元件
转录因子分析证实CWI通路核心因子Rlm1主导应激基因激活，同时发现：

• Met32可能调控簇2-3中16个应激响应基因
• 蛋白酶体调控因子Rpn4参与簇6基因表达
  3'UTR motif分析揭示RNA结合蛋白Nab2(核质转运)和Hrp1(转录终止)的潜在靶标在稳定性变化基因中富集达70-100%，提示其通过mRNP重构调控应激响应。

核糖体基因调控特性
与典型应激响应不同：

• 核糖体蛋白(RP)和RiBi基因的[mRNA]仅下降至40%，k_D增幅(1.5倍)远低于渗透压应激(8.5倍)
• 环境应激响应上调基因(ESRup)的激活较弱且短暂，主要依赖初期mRNA稳定化而非持续SR提升

这项研究首次建立了细胞壁应激下转录-转录后调控的全局图谱，其重要意义在于：1) 揭示CWI通路通过精细协调SR与k_D实现基因表达调控的分子逻辑；2) 发现Nab2/Hrp1等RBP可能作为CWI与mRNA代谢的交叉节点；3) 为理解临床相关真菌(如白色念珠菌)的细胞壁重塑机制提供新视角。特别值得注意的是，该研究揭示的"温和型"核糖体基因调控模式，可能反映细胞壁修复需要持续翻译能力的生物学特性，这种应激策略的进化意义值得后续探索。