Pum1对新生隐球菌核内复制的调控研究

Endoreplication by the selective loss of mitotic cyclin-dependent kinase (CDK) activity and bypassing the stage of mitosis in response to certain physiological stresses is one of the causal factors in the development of cancer. In the important human fungal pathogen C. neoformans, endoreplication serves as the core mechanism for diploidization prior to meiosis during α unisexual reproduction, which helps balance adaptive fitness (the production of infectious spores) and lineage benefit (the evolution of virulence and antifungal resistance). On the other hand, endoreplication is engaged in the formation of “Titan cell morphology”, a morphotype closely related to cryptococcal pathogenicity. These results support the idea that endoreplication bridges α unisexual reproduction and pathogenesis in C. neoformans. However, little is known about the molecular basis underlying cryptococcal endoreplication and the key regulatory circuit involved. It is demonstrated that a Pumilio-family protein Pum1 plays a pleiotropic role in the coordinated control of morphogenesis, sexual reproduction and sporulation in C. neoformans. Our preliminary results are indicative of the significant involvement of this regulator in the regulation of endoreplication. The main objectives of this proposal are to explore the signaling components of Pum1 pathway and dissect the regulatory mechanism underpinning its control of endoreplication. The results are expected to provide new insight into the critical biological mechanism in orchestrating the unisexual reproduction and pathogenicity in Cryptococcus neoformans.

由于在细胞分化、发育和肿瘤发生过程中的重要作用，核内复制作为一种重要的染色体倍化机制在高等真核生物中被深入研究。然而在真菌中，核内复制参与的生物学功能及其分子调控机制所知甚少。在环境致病真菌的模式菌新生隐球菌中，核内复制在α同性生殖和致病性相关的形态分化过程中都扮演了重要的角色，说明其可能作为关键的生物学机制链接了隐球菌的α同性生殖和致病性，然而目前对新生隐球菌核内复制的分子和遗传机制并不清楚。Pum1是新生隐球菌中的多功能调控因子，参与了隐球菌的同性生殖、形态分化和性孢子形成。本项目的预实验结果显示，Pum1在新生隐球菌的核内复制过程中也扮演了重要的调控角色。本项目拟采用生物信息学、遗传学、生物化学和小鼠感染等方法，系统揭示Pum1参与调控新生隐球菌核内复制的关键机制，从分子层面上确立核内复制在链接α同性生殖与致病性相关的形态分化上扮演的关键角色，为全面解析隐球菌的致病机制提供理论基础。

有性生殖是包括真菌在内的真核生物所特有的基础生命繁殖方式。人类病原真菌新生隐球菌是研究真菌有性生殖的模式菌之一。新生隐球菌是一种重要的环境病原真菌，全世界每年新发感染病例超过100万，并具有很高的致死率，严重威胁人类健康。有性生殖通过创建遗传物质和核型多样化，导致高毒和抗药菌株的产生，其终产物性孢子也是重要的感染繁殖体。新生隐球菌存在同性生殖和异性生殖，同性生殖是其主要的有性生殖方式。其有性生殖过程需要经过染色体倍化、性菌丝产生、担子成熟、减数分裂及性孢子产生等过程。核内复制是同性生殖过程中染色体倍化的主要手段。目前对于核内复制和性孢子产生的调控机制还不清楚。本项目研究发现，多功能调控蛋白Pum1对新生隐球菌核内复制过程非常关键，Pum1过表达促进二倍体或以上倍性细胞的产生。另外，我们发现Pum1不仅调控核内复制，同时还调控有性生殖后期的减数分裂和性孢子产生。通过深入分析Pum1的调控元，同时对同性生殖过程进行全基因组诱导特征分析，结合大规模基因敲除和遗传筛选。我们鉴定了Pum1下游调控减数分裂、担子成熟和性孢子形成的关键基因CSA1和CSA2。通过发展定量表征担子成熟的方法，我们发现减数分裂和担子成熟在时空上是高度偶联的，Pum1及其下游调控蛋白Csa1和Csa2构成了调控该偶联的关键环路。CSA1和CSA2基因的缺失能够解除偶联，并最终完全阻断了感染性孢子的产生。我们的研究从多个角度证实担子成熟和减数分裂过程的时空偶联可作为一个关键细胞命运决定机制调控性孢子的形成。另外，我们还发现了群感效应多肽Qsp1可以作为一个关键分子诱导Pum1编码基因的表达进而刺激有性生殖发生。本项目的研究揭示了Pum1在有性生殖过程中的重要调控作用，鉴定了Pum1下游调控网络的关键组分及其调控机制。相关成果分别在eLife和Nature Microbiology上发表，两篇文章均被F1000Prime所推荐。同行专家认为我们的研究提供了一个有趣的视角，贡献了对发育生物学和基因调控网络的理解。