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白色念珠菌（Candida albicans）的准性循环：减数分裂之外的另一种重组菌株形成途径

作者及机构
本研究由Anja Forche（明尼苏达大学遗传学、细胞生物学与发育学系）、Kevin Alby和Dana Schaefer（布朗大学分子微生物学与免疫学系）、Alexander D. Johnson（加州大学旧金山分校生物化学与生物物理学及微生物学与免疫学系）、Judith Berman（明尼苏达大学）以及Richard J. Bennett（布朗大学）共同完成，于2008年5月发表在PLoS Biology期刊上（DOI:10.1371/journal.pbio.0060110）。

学术背景

白色念珠菌是一种常见的人类机会性病原真菌，通常以二倍体形式存在，传统上被认为缺乏有性生殖能力。然而，近年研究发现其具有独特的交配系统：二倍体的MTLa和MTLα菌株可通过融合形成四倍体（a/α），但后续的倍性还原机制尚不明确。尽管其基因组中存在多个“减数分裂特异性基因”（meiosis-specific genes），但从未观察到典型的减数分裂过程。此前研究表明，四倍体可通过随机染色体丢失（random chromosome loss）返回二倍体状态，这一过程被称为“准性循环”（parasexual cycle）。

本研究旨在揭示准性循环的遗传学机制，重点关注：
1. 染色体丢失是否伴随同源染色体间的遗传重组；
2. 减数分裂相关基因（如SPO11）是否参与这一过程；
3. 准性循环对白色念珠菌表型多样性的贡献。

研究流程与实验方法

1. 实验菌株构建与选择

• 研究对象：构建了遗传标记的四倍体菌株RBY18，其染色体1（Chr1）携带可筛选标记gal1（半乳糖激酶基因），染色体5（Chr5）携带四种不同的MTL等位基因（MTLa、MTLα、MTLΔa1、MTLΔa2）。
  
• 倍性还原诱导：将RBY18在两种培养基上培养以诱导染色体丢失：
  
  • 预孢子培养基（pre-spo medium）：37℃培养10天；
    
  • 山梨糖培养基（sorbose medium）：30℃培养10天（已知可诱导Chr5单倍化）。
    
• 筛选二倍体后代：通过2-脱氧半乳糖（2-DOG）培养基筛选gal1−菌株（丢失Chr1的菌株可耐受2-DOG），并通过流式细胞术确认倍性。
  

2. 基因组分析技术

• SNP微阵列（单核苷酸多态性微阵列）：设计了包含152个SNP位点的全基因组芯片，用于区分亲本染色体同源体（homologues）并检测杂合性丢失（LOH, loss of heterozygosity）。
  
• 比较基因组杂交（CGH, comparative genome hybridization）：通过Cy3/Cy5标记的DNA与参考基因组（SC5314二倍体）杂交，量化染色体拷贝数变异。
  
• SPO11基因功能验证：
  
  • 构建spo11Δ四倍体菌株（RBY176/RBY177），通过URA3-blaster方法敲除所有四个SPO11拷贝；
    
  • 通过Western blot检测SPO11-13Myc融合蛋白在二倍体中的表达。
    

3. 表型分析

• 菌落形态：观察后代菌株在YPD培养基上的生长表型（如菌落褶皱、丝状生长）；
  
• 生长速率：测定非整倍体（aneuploid）菌株的倍增时间。
  

主要结果

1. 准性循环产生遗传多样性后代

• 染色体重排：SNP和CGH分析显示，后代菌株的染色体组合高度多样化（图4）。例如：
  
  • 部分菌株为真二倍体（如P2、P5、P6）；
    
  • 多数菌株为近二倍体，携带1-3条三体性染色体（trisomy），其中Chr4三体性最常见（占所有非整倍体的80%）。
    
• 同源染色体重组：3株后代（P1、S3、S4）检测到多段LOH区域（如Chr2长臂完全纯合化），表明发生了基因转换（gene conversion）或断裂诱导复制（break-induced replication）。
  

2. SPO11依赖的遗传重组

• spo11Δ菌株缺乏重组：18株spo11Δ后代均未检测到LOH事件（图7），而野生型（SPO11+）后代中23%的菌株发生重组（p<0.05）。
  
• SPO11的组成型表达：Western blot证实SPO11蛋白在二倍体有丝分裂期低水平表达（图5），提示其功能不限于减数分裂。
  

3. 表型变异与适应性意义

• 菌落形态变异：部分后代呈现超丝状化（hyperfilamentation）或生长缺陷（图3、图6）；
  
• 非整倍体的适应性代价：三体性染色体数量与生长速率负相关（如三体菌株倍增时间延长23%）。
  

结论与意义

1. 科学价值：
   
   • 准性循环是白色念珠菌减数分裂的替代途径，通过随机染色体丢失和SPO11介导的重组产生遗传多样性；
     
   • SPO11的“兼职功能”（moonlighting function）表明减数分裂基因可被重新编程以支持准性生殖。
     
2. 应用价值：
   
   • 解释了临床菌株的遗传多样性机制，为抗真菌药物耐药性研究提供新视角；
     
   • 非整倍体菌株的表型变异可能影响宿主体内的定植与致病性。
     

研究亮点

1. 方法创新：首次结合SNP和CGH技术解析准性循环的基因组动态；
   
2. 理论突破：发现SPO11在非减数分裂重组中的关键作用；
   
3. 生物学意义：提出准性循环可能是白色念珠菌在哺乳动物宿主中维持遗传灵活性的适应性策略。
   

其他有价值内容
- 研究讨论了准性循环相较于典型有性生殖的优势（如避免产孢的免疫原性风险）；
- 补充数据表明Chr3可能携带剂量敏感基因（未发现三体性后代），暗示其倍性调控的独特性。

（注：专业术语如“parasexual cycle”首次出现时标注英文，后续使用中文“准性循环”；“LOH”等缩写保留原格式。）