全 文 :中国感染与化疗杂志2014年7月20日第14卷第4期Chin J Infect Chemother,Jul.2014,Vol.14,No.4
·论著·
山苍子油对白念珠菌全基因组表达谱的影响
曾跃斌, 钱元恕, 侯 冰, 辜红妮
摘要: 目的 应用白念珠菌全基因组表达谱芯片比较山苍子油处理前后白念珠菌基因的差异性表达,分析山苍子油对白念
珠菌整个基因表达谱的影响。方法 用山苍子油处理白念珠菌 ATCC90028株90 min,将处理后的菌株命名为白念珠菌
ATCC90028-L,分别抽提细胞总RNA,经杂交、洗涤后,通过扫描分析白念珠菌 ATCC90028株和 ATCC90028-L株全基因组
表达谱的差异。结果 基因芯片共筛选出491个差异表达基因,与白念珠菌 ATCC90028株比较,在 ATCC90028-L株中有
216个基因表达上调,有275个基因表达下调,差异表达的基因数量约占总基因数量的11%(491/4 634),差异表达基因主要
包括白念珠菌麦角固醇生物合成通路中关键靶酶编码基因(ERGs)、应激反应相关基因、DNA复制与损伤修复相关基因、跨膜
分子转运相关基因、能量代谢酶类相关基因等。结论 山苍子油可使白念珠菌基因组中约11%基因产生差异性表达,影响较
为显著,我们推测山苍子油与唑类抗真菌药物的作用机制相似,均通过对白念珠菌麦角固醇生物合成通路中关键靶酶的影响
而起作用,基因芯片筛选出的其他差异表达基因也可能与山苍子油的抗真菌作用机制有关,值得进一步研究。
关键词: 山苍子油; 白念珠菌; 基因芯片
中图分类号:R379.4 文献标志码:A 文章编号:1009-7708(2014)04-0295-06
基金项目:广东省中医药局建设中医药强省课题基金(20111237)。
作者单位:汕头大学医学院第二附属医院皮肤病学教研室,广东汕
头 515041。
作者简介:曾跃斌(1968—),男,博士,主任医师,主要从事细菌及
真菌耐药性研究。
通信作者:曾跃斌,E-mail:zeng_yb@163.com。
Effects of Litsea cubeba oil on gene expression profile of Candida albicans
ZENG Yuebin,QIAN Yuanshu,HOU Bing,GU Hongni. (Department of Dermatology,Second
Affiliated Hospital of Shantou University Medical College,Shantou 515041,China)
Abstract: Objective To analyze the effects of Litsea cubeba oil on gene expression profile of Candida albicans by comparing
the differential gene expression profile after exposure to Litsea cubeba oil using genome-wide gene expression array.Methods
Candida albicans ATCC90028 was exposed to Litsea cubeba oil for 90 min.Then RNA was isolated and gene expression
profiles were compared to identify the differential gene expression profile using cDNA microarray analysis.Results A total of
491 genes were found to be responsive to Litsea cubeba oil,accounting for about 11%of the total number of genes in Candida
albicans(491/4 634),of which 216 genes were up-regulated and 275 down-regulated.These differentialy expressed genes
included genes encoding the key target enzyme in ergosterol biosynthesis pathway,genes in stress response,DNA replication
and repair,molecular transport,and energy metabolism.Conclusions Litsea cubeba oil has significant effect on the expression
of about 11%genes of Candida albicans genome.We presume that the genes encoding the key target enzyme in ergosterol
biosynthesis pathway may contribute to the action of Litsea cubeba oil on Candida albicans,which is similar to azole antifungal
drugs.However,the role of other differentialy expressed genes in the action of Litsea cubeba oil on Candida albicans remains
unclear,which deserves further study to characterize their potential association with the antifungal effect of Litsea cubeba oil.
Key words: Litsea cubeba oil;Candida albicans;cDNA microarray
白念珠菌(Candida albicans)属于假丝酵母属(俗
称念珠菌)的成员,通常存在于正常人体的口腔黏膜、
胃肠道、肛门、阴道和皮肤等部位,是导致皮肤、口腔、
阴道黏膜、呼吸道、消化道和全身感染的常见条件致
病性真菌。近年来,随着人类免疫缺陷病毒的感染,
免疫抑制剂、抗肿瘤药、广谱抗生素的广泛使用,以及
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DOI:10.16718/j.1009-7708.2014.04.002
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器官移植、放疗、导管插管等技术的普遍应用,白念珠
菌引起的感染明显上升,越来越引起人们的重视,
1986—1996年中国病原真菌流行病学调查中发现,白
念珠菌感染已跃居真菌感染的第二位[1-2]。
目前临床常用的抗真菌药物从高效低毒、抗菌
谱和耐药性等方面评价尚不能令人满意,如抗菌谱
窄,不良反应重,容易诱导产生耐药菌株等,使得人
们仍在不断致力于寻找新型、高效、低毒的抗真菌药
物。而天然的抗真菌药物可在真菌细胞内产生多种
生理效应,具有来源广泛、价格低廉、抗菌谱广、毒性
小、较少出现耐药性等特点,因此从天然植物中寻
找具有抗真菌活性的天然有效成分,并进一步开发
应用已经成为目前抗真菌药物研究中非常重要的方
向之一[3]。
山苍子又名山鸡椒、荜澄茄,为樟科木姜子属植
物,广泛分布于黄河以南各省区,民间常作为祛风散
寒、理气止痛和健胃消食药使用,其果实、根或叶均
含精油或挥发油,山苍子油(Litsea cubeba oil)系从
山苍子的鲜果、树皮及叶中提取的芳香精油,其主要
含有柠檬醛(60%~80%)、甲基庚烯酮(2.5%)、香
茅醛(1.0%)、a-蒎烯、莰烯、a-蛇麻烯等26种活性
化学成分,是我国GB2760-86规定为允许使用的食
用香料。20世纪70年代以来的许多研究表明山苍
子油具有广谱抗真菌作用,是一种有良好开发前景
的具有广谱抗真菌作用的天然药物。目前对山苍子
油抗真菌作用机制的研究多集中在山苍子油对真菌
的宏观影响以及其对真菌细胞超微结构的影响等方
面,但其抗真菌作用机制方面仍存在许多问题有待
进一步的研究,还应深入细致地探讨山苍子油活性
成分是如何作用于这些细胞结构而使其发生改变,
特别是对真菌细胞壁、细胞膜主要成分生物合成途
径中一些关键酶的编码基因的影响方面,以及其可
能的抗真菌作用靶点。
本研究应用基因芯片技术观察山苍子油对白念
珠菌全基因组表达谱的影响,在全基因组水平上探
讨山苍子油抗白念珠菌的作用机制,为山苍子油进
一步药用开发提供理论依据。
材料与方法
一、材料
(一)实验菌株和试剂 白念珠菌 ATCC90028
菌株由复旦大学华山医院惠赠,保存于沙保弱葡萄
糖琼脂培养基(SDA),置4℃备用。精制山苍子油
购自江西省吉安市国光香料厂(柠檬醛含量>75%,
相对密度0.882~0.905)。
(二)基因芯片 白念珠菌全基因组表达谱芯片
(EGT microarray)购自比利时Eurogentec公司,有
6 039个白念珠菌cDNA基因(占白念珠菌全基因组
的98%)和27个对照基因,芯片上每个基因点均有
一次重复点样。
二、方法
(一)药敏试验 在美国国家临床实验室标准化
协会(CLSI)推荐的 M27-A药敏试验方案中微量稀
释法的基础上,应用氧化还原指示剂 Alamar blue
通过比色判定 MIC值,测定白念珠菌 ATCC90028
菌株对该精制山苍子油样品的敏感性,具体方法详
见我们先前的研究结果[4]。
(二)山苍子油处理白念珠菌细胞 将白念珠菌
ATCC90028菌株在SDA培养基上连续转种2次,
以保证其纯度和活力,取经35℃培养24 h的菌落
接种于400 mL YPD液体培养基中,30℃培养至对
数早期(A600=0.9)并分成2等份,其中1份中加入
山苍子油(溶于二甲基亚矾,DMSO)至终浓度为
9 mg/L(相当于其 MIC值的1/2浓度),另1份加
入等体积的DMSO作为对照,将山苍子油处理后的
样品命名为白念珠菌 ATCC90028-L,继续培养
90 min(酵母细胞的倍增殖时间),然后分别测定白
念珠 菌 ATCC90028-L 和 对 照 样 品 白 念 珠 菌
ATCC90028的A600值,在5 000 r/min转速下分别
离心回收细胞,并立即分别置于液氮(-70℃)中速
冻保存直至抽提总RNA。
样品总RNA提取、探针标记、芯片杂交与洗脱、
芯片扫描与数据转化等具体实验步骤均严格按照
Eurogentec公司提供的实验指南进行,具体方法详见
我们先前的研究结果[5-6]。
(三)数据处理与分析 采用整体回归方法
(LOWESS回归法)对芯片实验的原始数据进行归
一化处理,然后计算每个基因点的Cy5/Cy3荧光信
号强度的比值数据(ratio),以2个重复基因点平均
比值数据作为每个基因表达差异的最后数值,筛选
平均比值数据大于2(上调表达变化)或小于0.5(下
调表达变化),同时2个重复点的数据变异系数
(CV)小于0.25的基因作为差异表达的基因,通过
检索斯坦福大学白念珠菌测序数据库(http://
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www-sequenee.Stanford.edu/group/candida)、
GenBank数据库(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
entrez/query.fcgi)、欧洲 Galar真菌协会(Galar
Fungail Consortium)白念珠菌全基因组数据库
CandidaDB database(http://genolist.pasteur.fr/
CandidaDB/)和酵母基因组数据库 MIPS Databases
(http://www.mips.gsf.de/genre/proj/Yeast/
index.jsp)等数据库,查询差异表达基因的功能和
分类,并进行有关基因信息学分析。
结 果
一、药敏试验结果
本实验中该精制山苍子油样品对白念珠菌
ATCC90028菌株的 MIC值为18 mg/L。
二、样品总RNA质量及完整性检测结果
本实验中分别从白念珠菌 ATCC90028-L和
ATCC90028菌株提取的总 RNA经紫外分光光度
计检测其吸光度A260/A280值分别为2.08和2.08,
说明总RNA质量较好;从琼脂糖凝胶电泳结果看,
2个样品均有清晰的28S和18S条带,说明提取的
总RNA完整性良好。
三、白念珠菌全基因组表达谱芯片杂交结果
按照上述差异表达基因的筛选标准,从基因芯
片试验结果中筛选出差异表达的基因共有491个,
其中与白念珠菌 ATCC90028菌株相比较,在白念
珠菌 ATCC90028-L 菌株中呈表达上调(ratio≥
2.0)的基因有216个,呈表达下调(ratio≤0.5)的基
因有275个,从总体的基因表达差异模式上看,下调
表达的基因数量和上调表达基因数量基本相当,表
达差异的基因数量约占总基因数量的11%(491/
4 634),显示2个样品间的基因表达差异较为明显。
存在差异表达的部分功能类型基因数据见表1。
表1 山苍子油处理白念珠菌ATCC90028菌株前后部分差异表达基因功能分类
Table 1 Differentialy expressed genes in Candida albicans ATCC90028 and their putative function
Gene name
Fold change of
expression level
Putative function(based on homology)
DNA replication and repair
IPF3378 2.98 Saccharomyces cerevisiae Pri1p DNA-directed DNA polymerase alpha 48 ku subunit(DNA primase)
IPF5933 2.38 Saccharomyces cerevisiae Mhr1p involved in mitochondrial homologous DNA recombination
TFG1 0.41 RNA pol.II transcription initiation factor TFIIF
DBP6 0.17 RNA helicase required for 60S ribosomal subunit assembly
MTR4 0.37 RNA Helicase
RPO41 2.13 Mitochondrial DNA-directed RNA polymerase
RPA49 2.04 DNA-directed RNA polymerase A
POL1 2.44 DNA-directed DNA polymerase alpha
RFC3 4.16 DNA replication factor C,40 ku subunit
RFC1 0.41 DNA replication factor C
DPB11 3.92 DNA polymerase II complex
MLH1 3.24 DNA mismatch repair protein
HEL1 0.47 DNA helicase I
MAK5 0.27 ATP-dependent RNA helicase
DRS1 0.25 ATP dependent RNA helicase
Stress reaction
HSP104 0.43 Heat shock protein
HSP30 0.35 Heat shock protein
ATX1 0.18 Antioxidant protein and metal homeostasis factor
FRE30.53 0.18 Strong similarity to ferric reductase,internal fragment
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continued table 1
Gene name
Fold change of
expression level
Putative function(based on homology)
GPX4 4.75 Glutathione peroxidase
FRE41 3.89 Ferric reductase transmembrane component
Molecule transport
DUR34 0.43 Urea transport protein
DUR33 0.35 Urea transport protein
IPF428 0.43 Transport protein
SEC9 2.75 Transport protein
IPF32 0.20 Saccharomyces cerevisiae Apg9p integral membrane protein required for Cvt and autophagy transport
IPF2710 0.35 Putative permease
IPF7493 4.63 Putative permease
MTR 3.70 Neutral amino acid permease-like by homology
IPF9079 0.36 Membrane transporter
IPF17754 0.25 Low affinity high capacity ammonium permease
FTH1 2.56 Iron transporter
SSH1.3 2.15 Involved in co-translational pathway of protein transport,3-prime end
MUP1 2.37 High affinity methionine permease
HGT12 0.12 Hexose transporter
SIT1 2.26 Ferrioxamine B permease based on homology
DIP51.3f 0.39 Dicarboxylic amino acid permease,3-prime end
DIP52 0.36 Dicarboxylic amino acid permease
JEN2 0.37 Carboxylic acid transporter protein
IPF11560.5f 0.39 Ca2+-transporting P-type ATPase,5-prime end
VCX1 0.29 Ca2+-transport based on homology
CDR3.5eoc 0.23 ABC transporter,multidrug resistance protein,5-prime end
Energy metabolism
IPF1384 0.36 Saccharomyces cerevisiae Eci1p delta3-cis-delta2-trans-enoyl-CoA isomerase
IPF302 0.35 Short chain dehydrogenase/reductase
IPF2861 0.24 Putative pyruvate dehydrogenase kinase
ERG8 0.19 Phosphomevalonate kinase
IPF6716 0.31 Phenylacetate 2-hydroxylase
EBP4 3.20 NADPH dehydrogenase
ERG12 0.27 Mevalonate kinase
IPF9238 0.42 Long chain fatty alcohol oxidase
IMH3.exon2 0.42 IMP dehydrogenase,exon 2
IPF14763 2.87 Delta-12 fatty acid desaturase
IPF12942 2.84 Delta-12 fatty acid desaturase
CKA1 0.46 Casein kinase II,catalytic alpha chain
ECM14 0.42 Carboxypeptidase involved in cel wal biogenesis and architecture
ADK2 0.39 Adenylate kinase,mitochondrial
PXP5 2.61 Acyl-coenzyme A oxidase I precursor by homology to Candida tropicalis
HMG1 2.85 3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A reductase 1
ERG13 2.27 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A synthase
讨 论
上世纪70年代以来的许多研究表明山苍子油
具有广谱抗真菌作用,是一种有良好开发前景的具
有广谱抗真菌作用的天然药物[7-10],目前对山苍子
油抗真菌作用机制的研究多集中在山苍子油对真菌
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的宏观影响以及对真菌细胞超微结构的影响等方
面[11-19],从目前的文献报道来看,山苍子油的抗真菌
作用机制方面仍存在许多问题有待进一步更深入、
细致的研究。由于真菌本身是一复杂的有机体,对
山苍子油活性成分的反应可能是复杂而多方面的。
因此,对其抗真菌作用机制的研究,不应停留在观察
山苍子油对真菌的宏观影响以及对真菌细胞形态结
构的影响上,还应深入细致地探讨山苍子油活性成
分是如何作用于这些细胞结构而使其发生改变,特
别是对真菌细胞壁、细胞膜主要成分生物合成途径
中一些关键酶的编码基因的影响方面。在分子水平
和基因水平上对山苍子油抗真菌作用机制的研究不
仅可能揭示山苍子油的抗真菌作用机制,而且还可
能发现其抗真菌的新的作用靶点。
基因芯片或DNA微列阵(DNA microarray)技
术是20世纪90年代后期发展起来的研究基因表达
的新技术,其中,白念珠菌的基因组测序工作己完
成,作为半子囊菌类真菌,白念珠菌的基因组大小约
为15.5兆,可装配成6 419个编码蛋白大于100个
氨基酸的开放阅读框(open reading frame,ORF),
经欧洲Galar真菌协会预测大约对应于6 000多个
基因,比利时Eurogentec公司利用这些信息构建了
含有6 039个cDNA基因的白念珠菌全基因组表达
谱芯片,包括了白念珠菌全基因组中98%的基因,
因而可以作为研究山苍子油抗真菌作用机制的理想
技术平台[20-22]。
本研究用山苍子油处理白念珠菌细胞,并应用
白念珠菌全基因组表达谱芯片分别得到处理前后的
白念珠菌各自全基因组表达谱,观察山苍子油处理
白念珠菌细胞后对其全基因组表达谱的影响。从实
验结果可以看出,山苍子油对白念珠菌全基因组表
达谱的影响比较大,表达差异的基因数量约占总基
因数量的11%(491/4 634)。但目前仅有部分差异
表达基因有明确基因名称和功能分类,许多差异表
达基因的功能尚属未知,但是可以通过相应的
CandidaDB检索到相关基因序列。而其中已知功能
的差异表达基因主要涉及DNA复制与损伤修复相
关基因、应激反应相关基因、分子转运相关基因、能
量代谢相关基因等。其中,白念珠菌DNA复制与
损伤修复相关基因、应激反应相关基因和分子转运
相关基因的差异性表达主要是由于其细胞对毒物的
一种非特异性的应激、抵抗、修复、主动外排等适应
性反应而发生的,其药理学意义主要与白念珠菌对
抗真菌药物的耐药性的产生和维持密切相关[5-6]。
白念珠菌能量代谢相关基因中的麦角固醇生物
合成相关基因的差异性表达则往往与抗真菌药物对
白念珠菌的药理作用有关。麦角固醇是真菌细胞膜
的重要组分,具有维持真菌细胞膜的流动性和通透
性、影响真菌能量利用及其对ATP酶的结合,以及
为真菌细胞提供能量和完成细胞周期等重要功能。
在生理情况下,真菌能够通过20余步的生化反应来
合成麦角固醇,其中的每一步反应均由一种或数种
酶催化,因此,任何影响酶活性的因素均可导致毒性
中间产物大量积聚,麦角固醇合成障碍,使真菌质膜
完整性被破坏,最终引起真菌死亡。因此,麦角固醇
及其生物合成过程中的许多中间环节,常是抗真菌
药物的作用靶位点[23]。
在抗真菌药物导致真菌麦角固醇合成障碍的同
时,作为弥补麦角固醇耗竭的一种反馈调解机制,真
菌可上调麦角固醇生物合成通路中的关键靶酶编码
基因的表达水平,使酶的合成增加,从而反馈性地补
偿因药物作用而导致的真菌麦角固醇含量减少,这
也是白念珠菌对唑类抗真菌药物产生耐药性的重要
分子机制之一。De Backer等[24]应用基因芯片研究
唑类药物伊曲康唑处理对白念珠菌基因表达的影
响,结果发现,ERG11、ERG5、ERG6、ERGI、ERG3、
ERG4、ERG10、ERG9、ERG26、ERG25、ERG2等麦
角固醇生物合成通路中的关键靶酶编码基因表达上
调。Liu等[25]应用基因芯片研究不同种类的抗真菌
药物处理对白念珠菌基因表达的影响,结果发现,唑
类药物酮康唑可导致白念珠菌 ERG11、ERG2、
ERG3、ERG10、ERG25、ERG251等基因表达上调;
多烯类抗真菌药物两性霉素 B可导致白念珠菌
ERG3E、ERG11等基因表达下调;而棘白菌素类抗
真菌药物卡泊芬净、核苷类抗真菌药物5-氟胞嘧啶
则不影响麦角固醇生物合成通路中关键靶酶编码基
因的表达。Lee等[26]应用基因芯片技术研究非唑
类抗真菌药物环吡酮胺处理,对白念珠菌基因表达
的影响,结果未发现麦角固醇生物合成通路中关键
靶酶编码基因(ERGs)的差异性表达。而在本实验
中我们发现白念珠菌麦角固醇生物合成相关基因
ERG3、ERG13、ERG16分别上调2.26、2.29和2.53
倍,而ERG8、ERG12分别下调0.18、0.26。说明山
苍子油对白念珠菌麦角固醇生物合成通路中关键靶
酶编码基因的表达影响较大。同时我们也可推测山
苍子油对白念珠菌的抗菌作用机制与唑类药物的作
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用机制相似,均通过对白念珠菌麦角固醇生物合成
通路中关键靶酶的影响而起作用。
虽然应用全基因组表达谱芯片研究基因差异性
表达时一次试验可产生巨大的信息量,具有规模大、
效率高、数据信息丰富等优势,但与其他任何技术一
样,基因芯片在应用方面仍具有其局限性。首先,基
因芯片检测的是特定实验条件下某一瞬间整体基因
群的表达高低情况,不能动态的反映各个基因随时
间的表达变化情况;其次,基因芯片研究的是生物体
内mRNA的相对表达含量,它只能反映转录水平上
的基因表达变化,与最终实现生物学功能的蛋白质
表达量不一定具有线性关系;其三,基因芯片杂交可
获得丰富的数据虽然是其优点,但是海量的数据也
给随后的分析和信息学处理,以及挖掘数据背后所
代表的生物学意义,并最终确定相关基因群表达高
低对特定生物学活动的影响带来了一定的困难。因
此可以说,基因芯片的表达数据所代表的只是整个
基因组表达水平上的信息,它的意义是可为后续研
究某个具体基因的功能指明方向,从而提高研究的
目的性和有效性。我们有必要在充分分析基因芯片
数据的生物学意义的基础上,利用基因敲除和基因
高表达等具体分子生物学实验手段,对某些重要功
能基因在细胞活动中的生物学功能进行重点考察和
研究,从而更加全面、准确地阐明山苍子油抗白念珠
菌的分子机制。
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收稿日期:2013-08-27
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