烟曲霉：细胞壁多糖,它们的生物合成和结构

烟曲霉：细胞壁多糖，它们的生物合成和结构

摘要：烟曲霉是腐烂的植被中最普遍的耐热菌，也是重要的人类条件性真菌致病菌之一。烟曲霉的细胞覆盖着一层细胞壁，这一细胞壁既是一种保护性的坚硬的骨架，又是一个动态的结构，依据环境进行经常的修饰。大多数真菌的细胞壁由多糖组成，解读烟曲霉细胞壁的生化结构和生物起源是很有必要的，因为这一包被不断地与外界或者宿主细胞接触，并且作为酶、毒素等活性物质的蓄水池。本文概述了烟曲霉中组成型细胞壁多糖的生物合成和它们的合成后修饰，还讨论了影响细胞壁多糖生物合成的抗真菌药物。

细胞壁是一种复杂的包被，坚硬但有渗透性，由多糖以及蛋白3D网络所组成。

烟曲霉细胞壁结构

烟曲霉的细胞壁占细胞干重的30%，主要（90%）由不同的多糖组成，形成了细胞壁的骨骼，多糖的外侧覆盖有糖蛋白。多糖成分包括带有β-（1,6）分支的β-（1,3）葡聚糖（20-35%），α-（1,3）葡聚糖（35-46%），半乳甘露聚糖（20-25%），几丁质（7-15%），半乳甘露聚糖（20-25%），其中几丁质是通过β-（1,4）键连接到β-（1,3）葡聚糖的非还原端。有β-（1,6）分支的β-（1,3）葡聚糖与几丁质结合，构成细胞壁结构中心和内部纤维层次。在烟曲霉细胞壁还含有β-（1,3;1,4）葡聚糖，约占β葡聚糖的10%，与β-(1,3)葡聚糖非还原性末端共价相连。α-(1,3)葡聚糖、半乳糖氨基酸半乳聚糖以及糖蛋白镶嵌在纤维结构中，构成了细胞壁的无定形的网络结构。

细胞壁的生物合成

线性多糖的生物合成

多糖是利用胞内核苷酸糖在膜水平上合成的。我们所了解的酶复合体来自于对粗膜成分的放射性分析。由于很多合酶存在多个跨膜结构域所以这些合酶不能产生重组酶。

β-(1,3)葡聚糖的合成

通过将放射性同位素C14标记UDP-葡萄糖作为底物，用从烟曲霉菌丝中提取出来的膜成分来监测β-(1,3)葡聚糖的合成。该合酶复合体包括FKSI编码的催化亚基。FKSI基因在烟曲霉中是唯一的并且是必需基因，通过RNAi和可诱导的启动子可知该酶是二倍体。烟曲霉AfRho 蛋白GTP绑定和水解的一致序列与酿酒酵母中Rho1p是相同的。对构巢曲霉中与AfRho1p 同源的蛋白RhoAp功能分析表明，RhoAp涉及到之后分支的出现、极性生长以及细胞壁的构建。在酿酒酵母中Rho1p GTP酶通过质膜上Rom2p位点的GDP/GTP转换因子，来实现在GDP结合的非活化状态与GTP结合的活化状态之间的转换。

几丁质的合成

直链β-（1,4）-N乙酰氨基葡萄糖是以UDP-N乙酰氨基葡萄糖为底物，通过8个整合膜蛋白——几丁质合酶来生成的。这些蛋白根据氨基酸序列被分成六类(Ⅰ-Ⅵ）。（table1）对八种几丁质合成酶共有的催化结构域的基因进行分析(AfCHSA-G)，分成两组分别包含三个基因（ABC）和四个基因（DEFG）。第一组突变菌株中几丁质含量减少但在体外有正常的几丁质合成酶活性。第二组突变菌株几丁质合成酶的活性受到了影响但是有着规律的细胞壁几丁质含量。

生物信息学分析证实了在家族中的大多数的基序都存在，只是位置发生了改变，表明每个几丁质合成酶有着不同的功能。在丝状真菌中只含有III、V、VI和这三类几丁质合成酶，说明这些酶可能在菌丝生长中起着重要的作用。类别I-III合成酶在体外需要被胰蛋白酶激活，说明它们是酶原的。chsE∆（家族III）和chsG∆（家族V）生长情况发生改变但是其它突变体并没有产生明显的生长表型。chsE∆突变菌株菌丝几丁质含量减少，菌丝肿胀，分生孢子产生情况改变。chsG∆突变菌株辐射生长比例减少，几丁质酶活性降低。同时破坏两个基因表现出两种表型的叠加。但值得一提的是，几丁质含量的减少会被α-1,3葡聚糖含量的明显增加

所弥补。尽管烟曲霉和构巢曲霉细胞壁结构是相似的，但是几丁质合成酶的功能的不同的。构巢曲霉CHSA和CHSC基因分别编码非必需的II类和I类几丁质合成酶。对菌丝细胞壁的完整性与分化起作用。CSMA （V类）和CSMB（VI类）对菌丝顶端的生长起着至关重要的作用，因为双敲致死。这些数据表明不同的真菌CSH基因，尽管他们有着同源序列，但根据整个细胞壁网络，在每个真菌中起着不同的功能。

α-1,3葡聚糖的合成

编码假定的α-1,3葡聚糖合酶的AGS基因，已经被证实与裂殖酵母中AGS基因同源。在烟曲霉中有三个同源的基因分别是AGS1、AGS2和AGS3。AGS1-3大小大约8kb，Ags蛋白包含两个主要的区域，这两个结构域与类似淀粉酶的结构域和类似糖原合成酶的结构域有着同源性，带有三个共同的被跨膜结构域分开的UDP-葡萄糖结合区域。尽管它们的序列与裂殖酵母中α-1,3葡聚糖合成酶同源，但是烟曲霉ags1∆突变产生了和裂殖酵母不一样的表型。烟曲霉中所有的基因在营养生长阶段表达并且对于烟曲霉都是非必需基因。但是AGS1对于裂殖酵母是必需基因。此外，只在ags1∆菌株的细胞壁中一部分（50%）α-1,3葡聚糖减少。烟曲霉ags1∆和ags2∆突变菌株中细胞的极性产生轻微的改变，且分生孢子的产生少量地减少。任何一个单独的AGS基因突变并不重要，可能是因为每个基因弥补了其他基因的缺失。Ags蛋白的底物以及它们的体外合成酶的活性还没有确定。

半乳甘露聚糖的生物合成

半乳甘露聚糖的生物合成需要甘露糖转移酶和半乳糖基转移酶的协调作用，来装配α-甘露糖主链和短的β-1,5-呋喃半乳糖残基侧链。与酵母相比，在烟曲霉中甘露糖生物合成酶的作用机制还不清楚。比较基因组学研究表明，能够在烟曲霉基因组中找到很多酵母的甘露糖糖基转移酶基因的同源基因。四个和HOC1和OCH1基因的同源基因，在烟曲霉基因组中已经确定（HOC1和OCH1从N端开始甘露糖长链的合成），但是HOC1和OCH1 在酿酒酵母中是唯一的。酿酒酵母MNN9、VAN1以及ANP1基因的唯一的同源物基因，编码甘露糖糖基转移酶，在烟曲霉中已经确定存在，尽管两种真菌中甘露糖糖基转移酶复合体最终产物在结构上是不同的。然而，至今为止，缺乏甘露糖糖基转移酶的烟曲霉突变体细胞壁甘露糖发生改变，在这种情况下每个酶的功能不得而知。

合成后修饰