《Journal of Applied Genetics》：Transcriptome profiling of Saccharomyces cerevisiae under 3-bromopyruvate treatment
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本研究首次对暴露于3-溴丙酮酸（3-BP）的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）进行了转录组学分析，重点关注其剂量依赖性效应。采用新一代测序技术进行RNA-Seq分析。结果显示，3-BP浓度与转录组变化程度呈正相关，这与先前关于较高3-
本研究首次对暴露于3-溴丙酮酸（3-BP）的酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）进行了转录组学分析，重点关注其剂量依赖性效应。采用新一代测序技术进行RNA-Seq分析。结果显示，3-BP浓度与转录组变化程度呈正相关，这与先前关于较高3-BP水平会放大细胞效应的发现一致。在十四个生物学过程类别中鉴定到显著变化，特别涉及与细胞周期调控和有机化合物代谢相关的基因，同时包括编码己糖激酶2（HXK2）的基因在内的关键代谢调节因子表达下调。该转录组图谱与已知的3-BP活性实验证据相符，从而证实了其对糖酵解、替代碳代谢、氧化磷酸化和细胞应激反应等关键代谢过程的影响。此外，由于观察到多个转录因子基因的表达改变，研究人员假设3-BP分子作用的多效性效应可能源于其对这些转录因子调控功能的影响。
一、研究背景与研究目的
3-溴丙酮酸（3-BP）是一种结构与丙酮酸类似的有机化合物，近年来因其强效抗癌特性而受到关注。3-BP影响真核细胞的能量代谢，破坏多条关键通路，最终触发细胞凋亡。这种效应已在多种模型中观察到，包括人类细胞（健康与癌变）以及真菌，特别是酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）和新型隐球菌（Cryptococcus neoformans）。这些发现凸显了3-BP作为化疗药物的潜力。尽管已有上述关于3-BP分子效应的研究，但其对基因表达的全局影响主要在人癌细胞中进行过探索，而在酵母细胞中的转录组效应仍知之甚少。为解决这一知识空白，本研究聚焦于3-BP存在下酿酒酵母的转录组学分析，旨在通过识别受3-BP影响的跨生物过程的基因表达变化，揭示其作用机制的新见解，并推进其作为研究细胞应激反应和代谢紊乱工具的潜力。
二、研究内容与结论
研究人员对酿酒酵母W303-1A菌株进行了1 mM或3 mM 3-BP处理2小时，随后进行RNA提取和转录组测序（RNA-Seq）。结果表明，3-BP对基因表达具有深刻且剂量依赖性的效应：1 mM处理导致491个基因表达改变（238个上调，253个下调），而3 mM处理则影响1102个基因（632个上调，470个下调）。两浓度间存在重叠调控的基因，但也有四个基因表现出相反的剂量依赖性表达模式（INO1、IRC4、MF(ALPHA)2、YAL066W）。功能分类显示，细胞周期和有机化合物代谢是受影响最显著的生物学过程。最上调的基因（如OYE3、OSI1、AAD6、FRM2）参与氧化应激反应、醛类解毒和脂质代谢，表明细胞启动了针对氧化还原失衡和代谢压力的协调防御机制。值得注意的是，一些减数分裂或孢子形成相关基因（如SPO19、MER1）仅在3-BP处理细胞中表达，暗示可能激活了压力特异性甚至非经典的细胞程序。此外，研究人员观察到多个转录因子基因的表达发生改变，提示3-BP不仅通过直接代谢干扰发挥多效性效应，还可能通过调控基因调控网络起作用。特别是，编码糖酵解关键酶己糖激酶2（Hxk2p）的HXK2基因仅在3 mM 3-BP下显著下调，而替代碳利用的关键调节因子CAT8和JEN1也同步下调，进一步支持了3-BP损害包括糖酵解和替代碳利用在内的中心代谢途径的观点。
三、关键技术方法
- 1.
RNA测序（RNA-Seq）：采用Illumina NovaSeq 6000平台进行新一代测序，对每个条件（未处理、1 mM和3 mM 3-BP）的三个生物学重复进行转录组分析。
- 2.
生物信息学分析：包括使用FastQC进行读段质量控制、Cutadapt进行接头修剪、HISAT2将读段比对至酿酒酵母W303-1A参考基因组（来自酿酒酵母基因组数据库SGD）、HTSeq进行读段计数，以及DESeq2进行标准化和差异表达分析。
- 3.
统计检验：使用卡方检验（χ2）检测特定功能类别是否受3-BP显著影响；采用皮尔逊相关系数（r）和斯皮尔曼等级相关系数（ρ）比较不同浓度处理间的表达模式。
四、研究结果
1. 3-BP诱导酿酒酵母基因表达产生深刻且剂量依赖性效应
通过比较1 mM和3 mM 3-BP处理后的基因表达变化，发现差异表达基因的数量随浓度升高而大幅增加。共鉴定出491个（1 mM）和1102个（3 mM）基因表达改变，其中部分基因为某一浓度特有，另有161个下调基因和173个上调基因在两浓度下均被调控。四个基因表现出相反的表达方向。这表明3-BP对转录谱的影响是剂量依赖性的，与先前报道一致。
2. 细胞周期和有机化合物代谢是受3-BP影响最显著的生物学过程
利用SGD数据库对差异表达基因进行功能分类，定义了十四个生物学过程。在两种浓度下，无论上调还是下调基因，细胞周期和有机化合物代谢相关基因均占据最大比例。统计检验显示，细胞周期和细胞壁组织相关基因在两种浓度的下调基因中均显著富集；运输相关基因在1 mM和3 mM的上调基因中显著富集；接合相关基因在3 mM的上调基因中显著富集。
3. 受3-BP影响最大的基因：氧化应激、解毒和孢子形成通路
在两个浓度下，最上调的基因高度一致，主要包括OYE3、OSI1、AAD6和FRM2，它们分别参与氧化应激响应、芳香族/醛类化合物解毒和脂质代谢。相关性分析显示两个浓度间的表达水平呈强正相关。此外，孢子形成和细胞壁重塑基因SPO19仅在3-BP处理细胞中检测到表达，减数分裂mRNA剪接和重组基因MER1仅在3 mM处理中表达，表明3-BP可能激活了特定的压力响应程序。
4. 3-BP处理可能导致全局性代谢紊乱
研究发现编码糖酵解关键酶己糖激酶2（Hxk2p）的HXK2基因仅在3 mM 3-BP下显著下调，表明对糖酵解调控的剂量依赖性影响。同时，替代碳利用的关键调节因子——转录因子CAT8及其下游靶标兼3-BP转运蛋白JEN1也同步下调。这提示3-BP可能通过ATP耗竭和氧化应激等方式，不仅影响糖酵解，还广泛影响包括替代碳代谢在内的整体代谢网络。
5. 3-BP活性的多效性效应可能是转录因子基因表达改变的结果
研究中观察到多个转录因子基因的表达发生改变（1 mM下有4个上调、20个下调；3 mM下有19个上调、9个下调）。研究人员据此假设，3-BP可能通过烷基化半胱氨酸巯基（-SH）对蛋白质（包括转录因子）进行翻译后修饰，从而影响其稳定性、DNA结合或相互作用，进而调控广泛的基因表达网络，这可能是其多效性作用的基础。
五、讨论总结与研究结论
本研究的讨论部分指出，观察到的转录组变化与已知的3-BP活性实验证据相符，确认了其对糖酵解、替代碳代谢、氧化磷酸化和细胞应激反应等关键代谢过程的影响。研究人员强调了在酵母和人类癌细胞中观察到了相似的氧化还原保护性转录响应。同时，某些减数分裂/孢子形成基因的独特激活，可能与非典型细胞程序有关。对转录因子表达变化的观察，为3-BP通过影响基因调控网络发挥多效性效应提供了新线索。
研究结论：本研究首次对暴露于3-BP的酿酒酵母进行了全面的转录组学分析，揭示了浓度依赖性的基因表达响应。在1 mM和3 mM 3-BP下，均观察到与氧化应激反应、醛类解毒和脂质代谢相关的基因（尤其是OYE3、FRM2、AAD6和OSI1）一致性上调，表明核心防御机制的激活。差异表达基因的数量和幅度在3 mM时大幅增加，表明更高剂量的3-BP触发了更广泛的转录重编程。特别是，细胞周期控制和有机化合物代谢相关基因受到高度影响，而多个减数分裂或孢子形成相关基因（MER1、SPO19）仅在3-BP暴露下表达，可能指示了压力特异性和可能的非经典细胞程序的激活。此外，研究人员鉴定出一组表达模式改变的转录因子，暗示3-BP不仅通过直接的代谢干扰，还可能通过调节基因调控网络来发挥多效性效应。HXK2、JEN1和CAT8的下调进一步支持了3-BP损害包括糖酵解和替代碳利用在内的中心代谢途径的观点。
