《Journal of Fungi》：HOG Signaling: A Multifunctional Regulator of Stress Homeostasis in Saccharomyces cerevisiae
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摘要
在生长和代谢过程中，出芽酵母酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）持续暴露于多种环境胁迫之下，保守的丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联反应在胁迫感知和适应性调控中执行核心功能。高渗透压甘油（HOG）通路作为酿酒酵母中经典的MAPK级
摘要
在生长和代谢过程中，出芽酵母酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）持续暴露于多种环境胁迫之下，保守的丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联反应在胁迫感知和适应性调控中执行核心功能。高渗透压甘油（HOG）通路作为酿酒酵母中经典的MAPK级联反应，最初被鉴定为高渗胁迫反应的核心调控因子。近几十年来，越来越多的证据表明，HOG通路不仅仅是一个渗透调节模块，更是一个多功能的信号枢纽，能够整合多种胁迫输入并协调广泛的适应性反应。本综述系统总结了HOG通路的核心架构，包括其上游感知分支（Sln1和Sho1）以及保守的三层MAPK级联反应，并重点阐述了不同胁迫因子如何激活不同分支并导致差异性的Hog1磷酸化动力学。本综述进一步讨论了HOG通路在胁迫适应中的多方面作用，涵盖转录重编程、细胞周期阻滞、以甘油合成为核心的代谢重编程，以及细胞壁重塑、絮凝、线粒体自噬（mitophagy）和与其他MAPK通路的交叉对话等新兴功能。通过整合经典与当代研究成果，本综述全面阐述了酿酒酵母中HOG通路的功能图景，并为该模式生物的胁迫信号传导研究及工程改造提供参考。
2. 酿酒酵母中HOG通路的核心结构与调控框架
2.1 核心MAPK模块：保守的三层激酶级联反应
HOG通路的核心MAPK模块是一个进化上保守的三激酶级联反应，按照MAPKKK→MAPKK→MAPK的顺序组织。在感知包括高渗胁迫在内的胞外或胞内信号后，上游MAPKKK发生磷酸化并激活其对应的MAPKK。活化的MAPKK随后磷酸化下游MAPK激活环中的保守残基，从而触发其功能激活。在经典HOG通路中，Hog1作为控制渗透适应的核心MAPK，而Pbs2作为特异性激活Hog1的MAPKK，在上下游信号转导中充当关键枢纽。
2.2 上游感知分支：Sln1与Sho1
HOG信号通路的上游由两个独立的信号分支组成，即Sln1分支和Sho1分支，两者的信号汇聚于共同的MAPKK Pbs2。
2.2.1 Sln1分支
Sln1分支以组氨酸激酶Sln1作为信号传感器。在正常生长条件下，Sln1保持活性并对其组氨酸残基进行自磷酸化。这些磷酸基团依次转移至Ypd1，最终传递至响应调控因子Ssk1的接收域。在此磷酸化状态下，Ssk1采用非活性构象，无法启动下游MAPK级联反应。在高渗胁迫下，Sln1激酶活性被抑制，阻断其自磷酸化并阻止Ypd1和Ssk1的后续磷酸化。去磷酸化的Ssk1随后结合MAPKKK Ssk2和Ssk22的N端调控域，诱导其自磷酸化和激活。活化的Ssk2和Ssk22随后磷酸化并激活MAPKK Pbs2，后者进而激活下游MAPK Hog1。
2.2.2 Sho1分支
Sho1分支采用两种黏蛋白样跨膜糖蛋白Msb2和Hkr1作为渗透胁迫传感器。这些高度糖基化的单次跨膜蛋白感知外部胁迫信号并启动下游信号传导。Sho1分支可进一步分为Hkr1依赖和Msb2依赖的亚分支，通过不同的调控机制激活HOG通路。这些传感器与跨膜蛋白Sho1相互作用并结合小GTPase Cdc42，导致Ste20和Cla4的激活。活化的Ste20/Cla4随后磷酸化并激活MAPKKK Ste11。Ste11通过支架蛋白Ste50定位于细胞膜，与其形成稳定复合物。在该复合物中，Ste50主要结合膜锚定蛋白Opy2，其次与Cdc42和Sho1相互作用以促进膜定位。活化的Ste11随后磷酸化并激活MAPKK Pbs2，后者进而磷酸化并激活MAPK Hog1。近期研究明确了高渗条件下Sho1分支信号传导的多层调控逻辑。
2.3 不同胁迫因子对分支的特异性激活
不同类型的胁迫通过激活不同的上游信号分支来启动HOG通路。渗透胁迫通过Sho1和Sln1两个分支传递信号，两分支表现出功能补偿性。Sln1和Sho1分支具有不同的激活阈值：Sln1分支即使在低渗透压下也能被激活，而Sho1分支主要在严重胁迫条件下参与。这种阈值差异使HOG通路能够在广泛的渗透强度范围内作出反应。两个分支在磷酸化Pbs2的方式上也存在差异：Sho1下游的MAPKKK Ste11仅磷酸化Thr518，而Sln1下游的Ssk2/Ssk22同时磷酸化Ser514和Thr518。Pbs2的两个磷酸化位点受到上游激酶的差异调控，也受到四种PP2C磷酸酶（Ptc1–Ptc4）的差异去磷酸化，从而在不同胁迫条件下微调HOG通路的激活强度和持续时间。
除渗透胁迫外，镉胁迫、氯化铯胁迫和热激胁迫等也能激活HOG通路，但这些非渗透胁迫通常仅激活一个分支，且产生的Hog1磷酸化动力学与渗透胁迫显著不同。Sln1分支是大多数非渗透信号的主要途径，包括氧化胁迫、低氧、内质网（ER）胁迫、低温和低pH。相反，裂解酶（如Zymolyase）引起的细胞壁损伤通过Sho1分支激活HOG通路，而不依赖Sln1磷酸中继系统。镉暴露和氯化铯可不同程度地激活两个感知分支，而热激主要通过Sho1激活HOG通路。值得注意的是，乙酸通过一种独立于Sln1和Sho1分支的胞内途径激活Hog1。乙酸诱导胞质应激颗粒（SGs）作为支架浓缩基础水平的Pbs2和Hog1，从而在无上游MAP3K刺激的情况下驱动Hog1磷酸化。该过程依赖Sln1维持的基础Pbs2活性，而Sho1在此不起作用。激活的Hog1保留在应激颗粒中，无法转位至细胞核，因此不诱导甘油生物合成基因。相反，定位于应激颗粒的磷酸化Hog1靶向Fps1，使其调控因子Rgc1/Rgc2解离，触发通道内吞并减少乙酸摄取。
3. HOG通路在胁迫适应中的多方面作用
3.1 转录重编程：基因表达的全局调控
激活后，Hog1迅速转位至细胞核并诱导数百个胁迫响应基因的表达。在渗透胁迫下，这些转录变化分为两类：渗透胁迫特异性诱导的基因（如GPD1）和响应多种胁迫的基因，统称为环境胁迫反应（ESR）。Hog1通过多种机制调控基因表达，包括直接磷酸化转录因子、调节染色质结构以及控制转录延伸和mRNA加工。Hog1调控的主要转录因子包括正调控因子（Hot1、Smp1、Msn1、Msn2、Msn4）和抑制性因子Sko1。除转录起始外，Hog1还参与mRNA生物发生的多个步骤，包括染色质重塑、RNA聚合酶II（RNA Pol II）向靶启动子的招募、转录延伸和mRNA核输出。
3.2 细胞周期阻滞：为修复和适应争取时间
在出芽酵母中，激活的Hog1在G1、S和G2/M检查点实施短暂、可逆的阻滞，为损伤修复和胁迫重编程创造时间窗口。在G1期，Hog1通过两条机制介导G1向S期转变的延迟：一是直接磷酸化细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）抑制剂Sic1的Thr17，阻止其泛素化降解，稳定后的Sic1抑制Cdc28-Clb5,6复合物，导致G1阻滞；二是在转录水平下调G1周期蛋白Cln1和Cln2的表达。在S期，Hog1根据胁迫发生的时间采取不同机制：早期S期延迟S期周期蛋白Clb5和Clb6的表达，晚期S期则与复制复合物组分相互作用并延迟DNA聚合酶亚基Dpb2的磷酸化。在G2/M期，Hog1通过下调有丝分裂周期蛋白Clb2以及通过Hsl1–Swe1轴降低Clb2/Cdc28活性来诱导G2细胞周期延迟。
3.3 代谢重编程：甘油作为关键效应分子
甘油生物合成和稳态是HOG级联反应最具特征的核心功能之一，是高渗胁迫下的主要适应性输出。HOG通路通过四种不同但协调的机制调控甘油稳态：第一，Hog1介导甘油生物合成基因的转录激活，包括GPD1、GPP1和GPP2；第二，Hog1上调H+偶联主动转运蛋白Stl1的表达，介导从周围培养基中高效摄取甘油；第三，Hog1通过激活6-磷酸果糖-2-激酶（Pfk26/27）调节糖酵解动态，其产物果糖-2,6-二磷酸是糖酵解的强效变构激活剂，加速葡萄糖分解代谢并产生大量磷酸二羟丙酮（DHAP），即甘油合成的直接前体；第四，水甘油通道蛋白Fps1是主要的甘油外排通道，在高渗胁迫下，激活的Hog1磷酸化Fps1的调控因子Rgc1和Rgc2，使其从通道上解离，从而减少Fps1介导的甘油外流并保留胞内渗透物。此外，HOG通路还调控甘油的同化作用，Hog1活性的丧失会增强甘油的同化。Hog1诱导的甘油积累还抑制胁迫下小泛素样修饰因子（SUMO）的过度积累，从而减轻其毒性效应。
3.4 其他适应性反应的协调
3.4.1 细胞壁重塑的协调
在环境胁迫下，HOG通路通过直接调节细胞壁组分或与其他信号通路交叉对话来调控细胞表面组成，从而增强胁迫抗性。在衣霉素诱导的内质网胁迫下，Hog1调控脂质和碳水化合物生物合成、蛋白质糖基化、囊泡介导的转运、细胞壁组织和生物合成以及细胞解毒等多个过程。细胞壁完整性（CWI）通路是介导酵母细胞壁重塑的主要信号通路，通常与HOG通路协同调控细胞壁合成。
3.4.2 絮凝的调控
在环境胁迫下，HOG通路的激活导致Hog1磷酸化和核转位，Hog1结合FLO基因启动子，降低Tup1-Cyc8阻遏复合物对FLO启动子的亲和力，促进FLO基因上调和絮凝。敲除HOG1或用斑蝥素药理学抑制Hog1磷酸化会导致FLO基因下调和絮凝受损。絮凝还能以Hog1依赖的方式增强对特定胁迫（如乙酸）的耐受性。
3.4.3 与其他MAPK通路的信号交叉对话
HOG通路通过与其他MAPK通路的交叉对话参与细胞适应。HOG和CWI通路利用重叠的支架蛋白和调控节点在联合胁迫条件下微调其输出。HOG通路还通过共享MAPK Kss1与交配通路发生双向交叉对话。HOG的两个上游分支对Kss1产生相反效应：Sho1激活Kss1，而Sln1限制其激活。
3.4.4 线粒体自噬的调控
HOG通路通过调控线粒体自噬维持细胞器稳态来增强细胞胁迫抗性。激活的Hog1及其上游MAPKK Pbs2作用于酪蛋白激酶2（CK2）上游，增强其催化活性。CK2随后在Ser114和Ser119位点磷酸化线粒体自噬受体Atg32，触发Atg32-Atg11复合物的组装并启动线粒体自噬。通过促进Atg32依赖的线粒体自噬，HOG通路驱动功能失调线粒体的选择性清除，从而限制活性氧（ROS）积累并维持细胞完整性。
4. 结论
酿酒酵母中的HOG MAPK通路已超越其最初作为高渗胁迫反应模块的角色，成为理解真核细胞如何整合和响应多样环境信号的范式。其核心功能包括：基因组范围的转录重编程、G1/S和G2/M检查点的短暂细胞周期阻滞，以及协调合成、摄取和外排的多层甘油代谢稳态。除这些经典适应性反应外，新兴证据表明还存在特征尚不完全的功能，包括通过CWI通路交叉对话协调细胞壁重塑、通过FLO基因去阻遏实现胁迫诱导的絮凝、清除受损线粒体的选择性线粒体自噬，以及与其他MAPK通路的交叉对话。尽管已取得重大进展，HOG通路仍存在若干基本问题有待解决：不同胁迫信号精确解读和上游Sln1与Sho1分支选择性参与的分子机制尚未完全明确；HOG通路与CWI、PKA和TOR等其他核心信号级联的广泛交叉对话需要系统研究；Hog1活性在亚细胞区室间的时空动态仍 largely 未表征。对HOG通路的深入理解可为抗胁迫工业酵母的理性菌株工程改造提供可靠的分子靶点。
