南京农业大学赵明文教授团队在国际权威学术期刊Redox Biology发表关于硫化氢调控灵芝酸生物合成的分子机制研究

给大家分享南京农业大学赵明文教授团队的任昂副教授在国际权威学术期刊Redox Biology发表关于硫化氢调控灵芝酸生物合成的分子机制研究的最新研究进展，关于H2S在热胁迫下维持灵芝线粒体稳态并调节灵芝酸（GAs）生物合成的分子机制。针对这一课题，该团队在国际著名期刊Redox Biology《氧化还原生物学》杂志（中科院一区TOP，IF=10.7）上发表了相关论文，题为“Hydrogen sulfide maintains mitochondrial homeostasis and regulates ganoderic acids biosynthesis by SQR under heat stress in Ganoderma lucidum”（https://doi.org/10.1016/j.redox.2024.103227）。

硫化氢（H2S）近来被认为是一种重要的气体信号分子，在动物和植物中被报道具有多种生理功能。而在微生物中，尤其是真菌中，关于H2S生理功能还需要进一步探索。作为第二信使，H2S容易受到环境刺激的诱导，并扩散到不同的细胞器中，参与多种细胞过程的调控，使生物体更适应环境变化。例如，H2S在细胞核中介导DNA损伤修复，参与内质网应激反应。此外，低浓度H2S对线粒体的保护作用也被广泛报道，如改善氧化磷酸化、线粒体电子通量、线粒体呼吸和ATP合成等。然而，对微生物中H2S在细胞器中生理功能的研究仍处于起步阶段，值得进一步探索。

具体结果：

1.1 线粒体是热胁迫下H2S作用的潜在目标

实验室前期研究表明，硫化氢（H2S）可以减少灵芝中热胁迫诱导灵芝酸（GAs）的生物合成，在这个过程中胱硫醚β-合成酶（CBS）是H2S的主要合成酶（Tian J.L., Fungal Genetics and Biolgy）。因此，为了解析灵芝在热胁迫下受H2S调控并参与GAs生物合成调控机制，作者进一步分析了灵芝转录组数据，发现在热处理条件下，cbs-i15菌株与sicontrol菌株相比，复合体IV亚基相关基因细胞色素C氧化酶亚基4（cox4，GL24640）的转录水平显著增加（图1）。在sicontrol菌株中，复合体I亚基基因NAD(P)H脱氢酶复合体（ndh，GL21074）的转录水平在加heat+NaHS处理下比heat处理下显著增加。为了探讨热胁迫对线粒体稳态的影响，作者测量了线粒体膜电位（MMP）和线粒体DNA拷贝数（mtDNAcn），并发现在热胁迫下线粒体受损。基于以上结果，作者推测H2S在热胁迫下的线粒体平衡调节中发挥作用。

图1 灵芝热胁迫下的线粒体基因转录和线粒体稳态

1.2 H2S维持热胁迫下的线粒体稳态

图2 热胁迫下cbs沉默菌株的线粒体平衡

为了探讨热胁迫下H2S对线粒体稳态的影响，作者分别在添加NaHS（H2S供体）处理的情况下测定了cbs沉默菌株的MMP和mtDNAcn。结果表明外源和内源H2S均可减轻热诱导的线粒体损伤，并维持灵芝在热胁迫下的线粒体平衡。

1.3 H2S促进热胁迫下线粒体的有氧呼吸

有氧呼吸是线粒体的一项重要生理功能。为了阐明H2S对有氧呼吸的影响，作者进一步检测了热胁迫下的耗氧率（OCR）水平和ATP含量。结果表明，H2S可以促进热胁迫下线粒体的有氧呼吸和ATP生成。

图3 H2S影响热胁迫下灵芝的OCR水平和ATP含量

1.4 热胁迫下H2S激活SQR-Com III通路

图4 在热胁迫下，H2S可激活G. lucidum的SQR-Com III通路

据报道线粒体复合体III（Com III）和复合体IV（Com IV）在H2S对线粒体呼吸链的作用中至关重要，因此作者检测了Com III和Com IV的活性。如图4A所示，与heat处理相比，heat+HT处理显著降低了Com III的活性，而heat+NaHS处理显著提高了Com III的活性。然而，与heat相比，heat+HT或heat+NaHS处理对Com IV的活性没有明显影响（图4B）。结果表明，在热胁迫下，H2S可能会激活G. lucidum中的Com III。Com III通过线粒体硫化物氧化途径接受硫化物-醌氧化还原酶（SQR）的电子并提高活性。因此，作者测定了热胁迫下sqr基因的转录水平以及Com III活性。结果表明，在热胁迫下，H2S会激活G. lucidum的SQR-Com III通路。

1.5 热胁迫下SQR-Com III介导H2S对线粒体的保护

为研究H2S是否激活SQR-Com III通路以增强G. lucidum的线粒体功能，构建了sqr沉默菌株（sqr-i4和sqr-i9）。随后，测定了sqr沉默菌株和com3沉默菌株（com3-i2和com3-i5）的线粒体稳态。结果表明，在热胁迫下，SQR-Com III途径介导H2S维持线粒体平衡以及改善线粒体有氧呼吸的作用。

图5 在热胁迫下，sqr沉默菌株和com3沉默菌株中H2S对线粒体的保护作用减弱

结论：这项研究结果显示，热处理会降低灵芝线粒体膜电位和线粒体DNA拷贝数，导致线粒体损伤。H2S可以提高热处理下的线粒体膜电位水平、线粒体DNA拷贝数、耗氧量水平和ATP含量，这表明H2S能够减轻热处理引起的线粒体损伤。进一步的研究结果表明，H2S能够激活硫化物-醌氧化还原酶（SQR）和线粒体复合体III（Com III），从而维持灵芝线粒体在热胁迫下的功能。此外，SQR还介导了热胁迫下H2S对GAs生物合成的调控作用。SQR可能在热胁迫下被过硫化。总而言之，作者的研究揭示了一种新的热胁迫下H2S信号的生理功能和分子机制，对微生物环境响应的研究具有广泛意义。

图6 硫化氢调控灵芝酸生物合成的分子机制示意图