DNA损伤胁迫下酿酒酵母细胞间通讯的分子机制

Microorganisms do not exist as solitary cells, but communicate with one another via a variety of means. Such communications facilitate microorganisms to cooperate with each other on social behaviors. Our previous study showed that the budding yeast, Saccharomyces cerevisiae, forewarned neighbor cells of possible harm and promoted the expression of specific genes related with DNA damage repair in neighbor cells when they responded to DNA-damaging stress , indicating that a cell-to-cell communication under DNA-damaging stress exists. Currently, the details and molecular mechanisms of this communication remain to be discovered. In this project, we will devise single-cell approaches to deeply characterize this communication, isolate and identify the signal molecules for communication, examine the possible signal transduction pathway, determine the conservation of this communication in microbes and evaluate its selective advantage during evolution. This study will provide answers to many questions regarding to the novel cell-to-cell communication, enable us better understanding the complexities of sociomirobiology. Moreover, the conclusions from this project would possibly lead to new ideas for our understanding of tumorigenesis and tumor drug resistance.

微生物并不是孤立的个体，它们的个体间存在着广泛的信息通讯。这些信息通讯可以使微生物群体产生协作性的社会行为。我们的前期工作发现酿酒酵母在受到DNA损伤胁迫的时候会预警周围的细胞，激活周围细胞的DNA损伤修复相关基因表达，暗示酵母细胞存在细胞间通讯传递DNA损伤胁迫信息。目前，关于这种通讯的具体过程和分子机制还不清楚。本研究将结合单细胞技术，对酿酒酵母DNA损伤胁迫下的细胞间通讯进行深入研究，明确该通讯的各种特征，分离和鉴定通讯的信号分子，解析通讯中的信号传导途径，研究这种细胞间通讯是否具有普遍性，评估其在进化上的优势。本研究将回答这种全新的微生物细胞间通讯的基本科学问题，丰富我们对社会微生物学的认识，实现理论上的突破。同时该研究也为肿瘤的发生和抗药性产生的机制提供新的研究思路。

微生物通常为单细胞生物，但是微生物并不是孤立的个体，在微生物群体中存在着广泛的个体间信息通讯。这些信息通讯可以使微生物群体产生协作性的社会行为，提高群体应对外界环境变化的能力。目前虽然对以群感效应为代表的微生物细胞间通讯有较好的认知，但是对于种类繁多的微生物细胞间通讯现象依然有很多细节和机制尚不清楚，有待深入研究。我们基于单细胞水平的研究发现酿酒酵母在受到紫外照射的情形下会诱导周围未处理细胞的DNA损伤修复相关基因RNR3的表达，表明酵母细胞在受到DNA损伤胁迫时会产生细胞间通讯行为，我们的研究显示这种通讯行为可以提高酵母群体应对外界DNA损伤胁迫的生存能力。结合单细胞技术，我们明确了介导该细胞间通讯的信号分子是细胞对管家基因产物3-磷酸甘油酸脱氢酶（GAPDH）剪切产生的小肽，我们将该小肽命名为SP1。遗传学实验表明Yca1（metacaspase）对TDH1基因编码的GAPDH同工酶的剪切产生SP1。单细胞研究证明SP1并不是通过诱导相邻细胞DNA损伤修复基因的表达来抵抗DNA损伤，而是诱导群体内亚健康状态的细胞死亡来提高群体抵抗DNA损伤胁迫的能力。进一步的研究显示SP1可能通过诱导NAD+水平低下的亚健康状态细胞死亡来增强整个群体的应对能力。同时，本项目研究发现SP1能够特异性杀死病原真菌新生隐球菌。SP1可以有效地破坏新生隐球菌的荚膜结构，通过与新生隐球菌的细胞膜相互作用诱导其死亡。由于SP1可以在较低浓度下特异性杀死新生隐球菌，因此SP1具有开发成抗真菌药物的潜力。本项目从单细胞水平系统地研究了酿酒酵母在外界DNA损伤胁迫条件下的社会化行为，首次发现了GAPDH参与细胞间的信号交流，并对分子机制进行了研究，丰富了我们对社会微生物学的认识。鉴于SP1能够特异性杀死新生隐球菌，本项目为抗真菌感染新药研发提供了理论支撑，具有实际应用价值。