鳄鱼伞菇中金属硫蛋白的基因复制与功能分化：揭示真菌重金属解毒的进化机制

本研究针对食用腐生真菌Agaricus crocodilinus在非污染环境中异常富集镉(Cd)的现象，通过色谱分离、酵母互补实验和质谱分析，鉴定出两个金属硫蛋白(AcMT1/AcMT2)，揭示其通过基因内部复制产生功能分化：AcMT2在子实体中组成型表达负责Cd储存，AcMT2在菌丝中诱导表达应对急性金属胁迫。该发现为理解真菌重金属解毒的分子进化提供了新视角。

　　

在自然界中，某些蘑菇表现出惊人的重金属富集能力，比如鳄鱼伞菇(Agaricus crocodilinus)即使在无污染环境中也能积累高达249 mg/kg的镉(Cd)。这种"重金属超富集"特性背后隐藏着怎样的分子机制？长期以来，科学家们推测金属硫蛋白(Metallothioneins, MTs)——一类富含半胱氨酸(Cys)的小分子蛋白可能参与其中，但真菌中MTs的进化起源和功能分化机制仍是个谜团。

捷克化学技术大学(University of Chemistry and Technology, Prague)的研究团队在《BioMetals》发表的研究解开了这个谜题。研究人员首先通过尺寸排阻色谱(SEC)结合电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析，发现鳄鱼伞菇子实体中47%的Cd存在于3.4 kDa的复合物中。随后运用酵母cDNA文库筛选技术，在Cd敏感型酿酒酵母突变株中鉴定出两个MT基因：编码49个氨基酸(含10个Cys)的AcMT1和32个氨基酸(含7个Cys)的AcMT2。质谱分析证实AcMT2正是3.4 kDa Cd复合物的主要成分。

研究采用的关键技术包括：1) SEC-ICP-MS联用技术分析金属-蛋白复合物分布；2) 酵母互补实验筛选Cd耐受基因；3) 质谱鉴定目标蛋白；4) 实时定量PCR分析基因表达模式；5) 生物信息学方法解析基因进化关系。样本来源于捷克摩拉西采地区采集的野生子实体及实验室培养的菌丝体。

【金属分布特征揭示解毒机制】
SEC分析显示子实体中Cd主要存在于3.4 kDa复合物，而Zn处理菌丝未形成类似复合物。通过SBD-F荧光标记和SDS-PAGE证实该复合物含有<6.1 kDa的半胱氨酸富集肽段，为后续MT鉴定奠定基础。

【双MT系统的发现与功能验证】
酵母cDNA文库筛选在Cd敏感株ycfl△中获得两个保护性基因：AcMT1和AcMT2。互补实验显示AcMT1对Cd、Zn、Cu均有更强保护作用（使酵母Cd耐受提高5倍，Cu耐受提高300倍），而AcMT2仅对Cd/Cu有效。质谱直接证实AcMT2参与子实体Cd储存复合物形成。

【表达调控揭示功能分化】
qRT-PCR显示AcMT2在菌丝中基础表达量是AcMT1的3倍，而AcMT1在Cd/Cu胁迫下显著诱导（Cd诱导7倍，Cu诱导9倍），表明AcMT2负责基础金属缓冲，AcMT1应对急性胁迫。这种"分工协作"模式在其他真菌如Paxillus involutus中也有报道。

【基因复制驱动功能进化】
基因组分析发现AcMT1通过内部片段复制（G1→G2插入）产生额外Cys结构域，改变了保守的七Cys模体（C-x₄-C-x-C-x_2,3-C-x-C-x₄-C-x-C）。这种不完美的复制导致功能创新，而其他伞菌（如Laccaria bicolor）则通过更精确的串联重复扩展MT基因。系统发育分析支持AcMT2更接近祖先基因。

这项研究首次阐明：1) 鳄鱼伞菇通过基因复制产生功能特化的MT系统；2) AcMT2组成型表达维持基础Cd储存，AcMT1诱导表达应对突发金属胁迫；3) 内部复制是伞菌纲MT进化的普遍机制。该发现为理解真菌环境适应策略提供了分子框架，对开发重金属生物修复技术具有启示意义。Jan Sacky和Anna Chaloupecká等作者指出，这种"双轨制"解毒策略可能广泛存在于重金属富集真菌中，是长期自然选择形成的进化创新。