一个细胞交流因子在新生隐球菌α同性生殖过程中的功能研究

Cryptococcus neoformans is the most common cause of fungal meningitis that claims more than half a million deaths annually. In this pathogen, α unisexual reproduction helps coordinate the short-term adaptive fitness (the production of infectious spores) and the long-term lineage success (the evolution of virulence). However, the molecular basis of α unisex remains elusive. Unlike canonical fungal sex, endoreplication is the key mechanism for doubling ploidy prior to the meiotic progression of α unisex. This suggests that α unisex probably mirrors the ancient form of sex. Previous studies suggest that an unknown cell communication program is required for this “ancient sex”. Our preliminary data show that an intercellular signal Sex1 plays a pivotal role in initiating α unisexual reproduction. Here, we propose to utilize a large-scale genetic screen, in concert with genome-wide transcriptome analysis, to explore the detailed catalogue of Sex1 signaling genes, and elucidate the role of Sex1 pathway in orchestrating α unisexual reproduction and endoreplication using several complementary approaches. We will also employ murine model of cryptococcosis to assess the regulatory impact of Sex1 signaling on conducting infectious disease by C. neoformans. The results are expected to 1) ascertain the pleiotropic roles of Sex1 in the coordinated control of cryptococcal pathogenicity and the evolution of virulence mediated by α unisex; 2) provide the fundamental insight into the evolution of eukaryotic sexual reproduction.

新生隐球菌是一种重要的病原真菌，能引发致死率极高的真菌脑膜炎，每年导致超过60万人死亡。α同性生殖对于该菌感染孢子的产生至关重要，并作为关键的生物学动力推动了毒力进化，然而当前对其分子机制所知甚少。该生殖方式十分特殊，其可利用核内复制取代细胞融合作为驱动染色体倍化的关键机制，映射了一种古老的有性生殖方式。前人的工作暗示该生殖方式可能受控于一个未知的细胞交流系统。本项目鉴定了一个隐球菌胞外信号，该信号对于α同性生殖的发生十分关键，可能作为激发该生殖方式的关键细胞交流因子。本研究拟通过大规模遗传筛选结合转录组学分析，系统揭示该细胞交流因子信号通路组分，利用分子生物、细胞生物学等手段解析该通路关键基因在激发/链接核内复制和α同性生殖中的调控机制，并利用小鼠模型评估该信号对隐球菌致病性的影响。本项研究将有助于深入理解隐球菌链接α同性生殖和致病性的细胞交流基础，并加深对真核有性生殖进化的认识。

α同性生殖作为重要的适应性行为维系了人类病原真菌新生隐球菌在宿主侵染方面的短期适应优势和长期种系优势。“性信息素作为核心信号分子控制α同性生殖分化”作为假说在15年前就已被提出，但一直没有在分子水平上得到证实或证伪。本项目研究通过在隐球菌中同时敲除3个编码性信息素的基因，创建了一个完全不能产生性信息素的突变体，证明性信息素与α同性生殖相关的分化过程和减数分裂过程的驱动与协调无关。我们进而鉴定了群体感应多肽Qsp1作为关键的细胞交流信号分子，替代了性信息素，激发新生隐球菌α同性生殖和减数分裂的发生，证明了第一例群体感应因子激发的真核特有生物学行为—有性生殖过程。通过大规模遗传筛选结合转录组分析，我们鉴定了Qsp1信号通路下游的核心组分Cqs2，揭示其通过新颖的DNA结合结构域调控α同性生殖不同阶段基因的表达，从而驱动与协调α同性生殖全周期。上述完成的工作已经在Nature Microbiology与eLife等重要期刊发表。此外，在项目资助期间，申请人获得中国菌物学会颁发的“戴芳澜”优秀青年奖以及中科院“百人计划”终期评估优秀等一些重要奖励。