祁艷華，覃啟劍，汪 斌，金 城，房文霞

(廣西科學(xué)院，非糧生物質(zhì)酶解國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530007)

酵母作為真菌研究中的模式生物，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，如用于生產(chǎn)啤酒、葡萄酒、面包、異源蛋白質(zhì)、疫苗和高價(jià)值代謝物等[1-4]。不同于實(shí)驗(yàn)室的培養(yǎng)條件，工業(yè)發(fā)酵的酵母需要應(yīng)對(duì)的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是發(fā)酵環(huán)境的變化，如溫度、低pH值、高滲和高濃度乙醇等，并在此過(guò)程中產(chǎn)生高價(jià)值代謝物，因此酵母菌株耐受脅迫的能力對(duì)工業(yè)生產(chǎn)十分重要[5-7]。在酵母多重脅迫耐受機(jī)制的研究中，耐高溫是目前國(guó)內(nèi)外發(fā)酵行業(yè)研究中十分熱門且重要的課題。酵母的最優(yōu)生長(zhǎng)及發(fā)酵溫度通常為28-35℃，適宜在37℃以上生長(zhǎng)的酵母為高溫酵母[8]。目前工業(yè)上常用的發(fā)酵菌株為釀酒酵母，其最適生長(zhǎng)溫度一般不超過(guò)37℃。有報(bào)道稱，某些釀酒酵母菌株可在高達(dá)43℃的溫度下產(chǎn)生乙醇，但這種耐高溫的釀酒酵母菌株資源極其有限，因此人們常從自然界中分離出多株耐高溫的非傳統(tǒng)酵母菌株，包括耶氏酵母(Yarrowia)、克魯維酵母(Kluyveromyces)、念珠菌(Candida)和畢赤酵母(Pichia)等，這些酵母菌株在高溫下生長(zhǎng)良好且能產(chǎn)生有價(jià)值的次級(jí)代謝產(chǎn)物[9-13]。一個(gè)典型的例子是酵母利用木質(zhì)纖維素原料發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，該過(guò)程需經(jīng)過(guò)高溫預(yù)處理和糖化步驟，即將木質(zhì)素分解為微生物發(fā)酵可利用的五碳糖或六碳糖，隨后酵母在中低溫條件下將糖轉(zhuǎn)化為生物乙醇[14,15]。同步糖化發(fā)酵法(Simultaneous Saccharification and Fermentation，SSF)是乙醇生產(chǎn)的首選方法，其優(yōu)點(diǎn)是水解和發(fā)酵可在同一個(gè)發(fā)酵罐中進(jìn)行，操作簡(jiǎn)單、成本低、完成時(shí)間短，缺點(diǎn)是糖化和發(fā)酵對(duì)溫度的要求不同[16]。因此，獲得具有耐高溫特性的酵母是生物乙醇產(chǎn)業(yè)中提高工業(yè)生產(chǎn)能力、降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵策略。

酵母的耐高溫特性是一個(gè)復(fù)雜的性狀，由多基因協(xié)同表達(dá)、多蛋白共同作用來(lái)決定。目前的研究發(fā)現(xiàn)，酵母已經(jīng)進(jìn)化出復(fù)雜而微妙的機(jī)制，可通過(guò)調(diào)節(jié)特定的代謝途徑以保護(hù)機(jī)體免受高溫?fù)p傷，或通過(guò)激活和調(diào)節(jié)特定的耐熱相關(guān)基因來(lái)合成特定的化合物[17,18]。為鑒定新基因并闡明酵母耐高溫的復(fù)雜機(jī)制，研究者們對(duì)酵母耐高溫特性進(jìn)行了深入的研究。本文主要從代謝途徑、基因表達(dá)、酶活特性和蛋白質(zhì)相互作用等4個(gè)方面對(duì)酵母耐高溫分子機(jī)制進(jìn)行綜述(圖1)，為耐高溫酵母的篩選、改造及應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，有助于酵母耐熱性的合理設(shè)計(jì)，提高工業(yè)生產(chǎn)的效率并降低生產(chǎn)成本。

圖1 酵母耐高溫分子機(jī)制

1 代謝途徑

新陳代謝為細(xì)胞發(fā)揮功能提供能量和基礎(chǔ)，新陳代謝的調(diào)節(jié)需要對(duì)不同的外部信號(hào)(如環(huán)境變化)和內(nèi)部信號(hào)(如細(xì)胞周期狀態(tài))作出反應(yīng)。當(dāng)酵母處于高溫環(huán)境下，其代謝途徑可根據(jù)溫度的變化及時(shí)調(diào)整以適應(yīng)環(huán)境的變化，其中海藻糖合成與分解途徑、甘油合成途徑、麥角甾醇合成途徑、一氧化氮合成途徑、泛素-蛋白酶降解途徑在應(yīng)對(duì)高溫脅迫方面發(fā)揮重要的作用[19-22]。

海藻糖是由兩分子葡萄糖組成的非還原性雙糖，存在于多種生物體中，如細(xì)菌、真菌、昆蟲和植物等。對(duì)稱的葡萄糖分子結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性，可作為細(xì)胞蛋白質(zhì)和生物膜的應(yīng)激保護(hù)劑以抵抗環(huán)境脅迫[23,24]。在釀酒酵母中，海藻糖由一種酶復(fù)合物合成，該酶復(fù)合物由tsl1、tps1、tps2和tps3編碼的蛋白組成，其中基因tps1和tps2分別編碼海藻糖-6-磷酸合成酶和海藻糖-6-磷酸酶，而tps3和tsl1編碼復(fù)合物的2個(gè)調(diào)節(jié)亞基[25]。海藻糖的分解代謝主要由中性海藻糖酶和酸性海藻糖酶負(fù)責(zé)[26,27]。nth1和nth2基因編碼的胞漿中性海藻糖酶受cAMP依賴的磷酸化過(guò)程、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和溫度的調(diào)節(jié)，負(fù)責(zé)海藻糖的細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)或循環(huán)；由ath1基因編碼的空泡酸性海藻糖酶受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)控，負(fù)責(zé)利用胞外海藻糖[28,29]。當(dāng)酵母細(xì)胞受到高溫脅迫時(shí)，海藻糖合成與分解途徑中參與合成與分解的基因表達(dá)水平升高，促進(jìn)海藻糖的合成與分解，使得細(xì)胞既可利用其作為高溫保護(hù)劑，也可分解為單糖后進(jìn)入中心糖代謝為細(xì)胞應(yīng)對(duì)高溫環(huán)境供能；當(dāng)細(xì)胞遠(yuǎn)離脅迫環(huán)境時(shí)，細(xì)胞內(nèi)海藻糖-6-磷酸含量的增加可抑制Tps1的活性，不利于海藻糖的合成[19,30]。

甘油是酵母在高溫條件下的主要保護(hù)劑之一，其主要作用原理是甘油的積累使酵母重新調(diào)整細(xì)胞膜的滲透壓以保證在高溫脅迫下細(xì)胞功能的正常發(fā)揮，從而維持酵母正常的生命活動(dòng)。在酵母發(fā)酵的過(guò)程中，甘油是僅次于乙醇和二氧化碳的第三大發(fā)酵產(chǎn)物，其合成途徑受2個(gè)關(guān)鍵基因gpd1和gpd2的調(diào)控[31,32]。有研究證實(shí)，gpd1和gpd2基因是細(xì)胞在高溫脅迫下生長(zhǎng)所必需的，且受高滲甘油(High Osmolarity Glycerol，HOG)途徑的調(diào)節(jié)[33,34]。當(dāng)酵母受到熱刺激時(shí)，通過(guò)Sho1-Ste20-Ste50-Ste11蛋白級(jí)聯(lián)將信息傳遞下去可激活HOG途徑中關(guān)鍵的蛋白激酶Hog1或通過(guò)Nts1將細(xì)胞壁完整性(Cell Wall Integrity，CWI)途徑與HOG途徑連接起來(lái)。Hog1由Pbs2磷酸化后進(jìn)入細(xì)胞核激活gpd1和gpd2基因的表達(dá)，同時(shí)甘油分泌途徑中Fsp1通道關(guān)閉，導(dǎo)致甘油分泌減少而間接增加細(xì)胞內(nèi)的甘油含量，保護(hù)細(xì)胞免受高溫的侵害[20,35]。

一氧化氮作為一種信號(hào)分子，參與多種細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)，其主要來(lái)源是精氨酸代謝。當(dāng)酵母受到高溫沖擊時(shí)，精氨酸可轉(zhuǎn)化為瓜氨酸和一氧化氮，低水平的一氧化氮對(duì)酵母具有一定的保護(hù)作用[36]。在酵母合成一氧化氮的過(guò)程中，除一氧化氮合成酶發(fā)揮作用外，酵母的黃素蛋白Tah18也參與其中?；蚯贸Y(jié)果表明，Tah18依賴的一氧化氮合成賦予酵母細(xì)胞耐高溫脅迫的能力[22]。

麥角甾醇是真菌細(xì)胞膜的重要組成部分，決定膜相關(guān)蛋白的流動(dòng)性、通透性和活性[37]。酵母在高溫應(yīng)激下生長(zhǎng)可使細(xì)胞膜的流動(dòng)性增加，影響蛋白質(zhì)折疊和穩(wěn)定性，破壞細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞代謝平衡[38]。有研究表明，甾醇脫氫酶Erg3和Erg5的缺失與酵母的耐熱性相關(guān)，“扁平”甾醇如麥角-8(9),22-二烯醇或麥角-5,7,22,24(28)-三烯醇替代麥角甾醇不會(huì)增加釀酒酵母的耐熱性，但“彎曲”甾醇如糞甾醇可增加酵母的耐熱性。因此，erg3基因突變后會(huì)導(dǎo)致甾醇甲基轉(zhuǎn)移酶Erg6活性增強(qiáng)，Erg6催化酵母甾醇甲基化形成糞甾醇，從而引起“彎曲”甾醇的積累，賦予酵母更高的耐熱性[39]；erg5基因的缺失，導(dǎo)致細(xì)胞積累更多具有飽和側(cè)鏈的甾醇促使細(xì)胞膜具有更好的排序效果，更好地維持細(xì)胞膜的流動(dòng)性，因此可使erg5突變體比未突變erg5的酵母菌株具有更好的耐熱性，并且該基因的功能在真菌中具有一定的保守性[21]。此外，有研究表明ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因Pdr18的缺失會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)麥角甾醇合成前體的積累，這種積累可能觸發(fā)Erg1表達(dá)的反饋抑制，使得酵母細(xì)胞表現(xiàn)出更高的滲透性以及對(duì)多種環(huán)境的挑戰(zhàn)，如高溫環(huán)境的敏感性[40]。

高溫環(huán)境會(huì)引起酵母細(xì)胞中蛋白的錯(cuò)誤折疊從而影響蛋白活性，因此細(xì)胞可通過(guò)泛素-蛋白酶降解途徑降解錯(cuò)誤折疊的蛋白以保護(hù)細(xì)胞免遭功能失調(diào)的危機(jī)，例如酵母中rsp5基因的過(guò)度表達(dá)可使細(xì)胞具有更高的耐熱性[41,42]。rsp5基因編碼E3泛素連接酶，參與蛋白質(zhì)的泛素化，調(diào)節(jié)細(xì)胞結(jié)構(gòu)中蛋白質(zhì)的運(yùn)輸和最終降解[43,44]。此外，Rsp5可與Bul1、Bul2、泛素結(jié)合蛋白Ubc1、泛素蛋白酶Ubp4和Ubp16等蛋白相互作用以提高應(yīng)激反應(yīng)基因spi1的表達(dá)水平，進(jìn)而提高細(xì)胞對(duì)熱休克和氧化應(yīng)激的耐受能力[45]。

此外，通過(guò)轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組等技術(shù)，已有對(duì)高溫酵母整體代謝變化趨勢(shì)的相關(guān)研究。例如，通過(guò)對(duì)定量蛋白質(zhì)組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，Li等[46]發(fā)現(xiàn)，酵母高溫發(fā)酵后，馬克斯克魯維酵母參與轉(zhuǎn)錄、翻譯、氧化磷酸化和脂肪酸代謝的蛋白下調(diào)，一些分子伴侶和蛋白酶體蛋白上調(diào)，ATP酶活性顯著降低，總脂肪酸逐漸積累。Fu等[13]通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，高溫可刺激馬克斯克魯維酵母的線粒體呼吸，抑制三羧酸TCA循環(huán)，導(dǎo)致活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)含量增加，并產(chǎn)生更多麥角甾醇來(lái)應(yīng)對(duì)乙醇脅迫。Chamnipa等[47]發(fā)現(xiàn)，庫(kù)德氏畢赤酵母RZ8-1在高溫42℃乙醇發(fā)酵過(guò)程中，熱休克蛋白基因(ssq1、hsp90)、乙醇脫氫酶基因(adh1、adh2、adh3、adh4)以及甘油醛-3-磷酸脫氫酶基因(tdh2)的表達(dá)水平升高，表明有些基因的表達(dá)不僅限于乙醇發(fā)酵途徑，也與酵母的耐高溫相關(guān)?？傊?，酵母在高溫與適溫下的代謝調(diào)節(jié)存在顯著差異，細(xì)胞可通過(guò)控制耐高溫相關(guān)代謝基因的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)代謝產(chǎn)物的含量，從而有利于酵母在高溫下生存。酵母細(xì)胞與耐熱相關(guān)的代謝途徑詳見(jiàn)表1。

表1 酵母細(xì)胞與耐熱相關(guān)的代謝途徑

2 基因表達(dá)

生物體耐高溫是多基因協(xié)同表達(dá)以賦予細(xì)胞在異常溫度下存活和生長(zhǎng)的特性。通過(guò)分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)、生物信息學(xué)、組學(xué)分析等手段，目前已有許多耐高溫相關(guān)基因被鑒定，使得對(duì)生物體耐高溫的遺傳基礎(chǔ)有了深入的了解。酵母的耐高溫特性是酵母在工業(yè)發(fā)酵中十分重要的特點(diǎn)之一，當(dāng)遭遇高溫脅迫時(shí)，酵母通過(guò)調(diào)控自身的基因表達(dá)水平以適應(yīng)高溫環(huán)境。

有研究表明，酵母的轉(zhuǎn)錄因子Hsf1、Msn2、Msn4、Yap1、Hac1、Rlm1、Cad1在高溫環(huán)境下可調(diào)控多個(gè)基因的表達(dá)水平，以提高細(xì)胞耐高溫的能力[48-54]。熱休克轉(zhuǎn)錄因子Hsf1非常保守，其核心結(jié)構(gòu)包括翼螺旋-轉(zhuǎn)螺旋DNA結(jié)合域以及對(duì)三聚體形成至關(guān)重要的疏水螺旋區(qū)域，此外還有兩個(gè)分別位于N端和C端的反式激活域。正常情況下Hsf1是不活躍的單體或二聚體形式，當(dāng)酵母受到高溫脅迫時(shí)可形成三聚體并高度磷酸化，然后與熱應(yīng)激相關(guān)基因的啟動(dòng)子nGAAn反向重復(fù)序列結(jié)合，發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄活性，激活相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[55-57]。Msn2和Msn4已被證實(shí)是釀酒酵母中兩個(gè)對(duì)溫度敏感的轉(zhuǎn)錄激活子，其氨基酸序列具有一定的同源性且識(shí)別DNA序列的氨基酸殘基高度保守[58]。正常條件下Msn2和Msn4蛋白位于細(xì)胞質(zhì)，當(dāng)細(xì)胞處于高溫環(huán)境則被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞核，隨后蛋白中的鋅指結(jié)構(gòu)可直接結(jié)合到DNA序列上或通過(guò)其他蛋白間接調(diào)控約200個(gè)基因的表達(dá)[59-61]。氧化休克因子Yap1通過(guò)共價(jià)作用將傳感器蛋白Gpx3激活，使其向細(xì)胞核移動(dòng)，上調(diào)抗氧化基因的表達(dá)，如Yap1可誘導(dǎo)gsh1和gsh2的表達(dá)，以便酵母細(xì)胞在處于熱休克期間合成還原型谷胱甘肽，從而提高細(xì)胞的耐受性[62-64]。轉(zhuǎn)錄因子Hac1作為一種堿性亮氨酸拉鏈蛋白，可與未折疊蛋白反應(yīng)(Unfolded Protein-Response，UPR)元件結(jié)合從而調(diào)節(jié)參與UPR的基因表達(dá)[52]。Rlm1作為蛋白激酶C(Protein Kinase C，PKC)途徑的1個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，其轉(zhuǎn)錄活性被MAP激酶Mpk1通過(guò)Ser427和Thr439的磷酸化來(lái)調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)控至少25個(gè)與細(xì)胞壁合成相關(guān)基因的表達(dá)，用于維持細(xì)胞壁的完整性[53]。Cad1作為轉(zhuǎn)錄激活劑，參與蛋白質(zhì)穩(wěn)定性相關(guān)基因的表達(dá)調(diào)控[54]。除上述轉(zhuǎn)錄因子外，Skn7可與Hsf1相互作用共同激活hsp12、hsp26、hsp70、hsp82和hsp104基因以響應(yīng)溫度變化帶來(lái)的氧化應(yīng)激[65]。

3 酶活特性

細(xì)胞需要不同的氧化環(huán)境以促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊和活性，保證生命活動(dòng)的正常進(jìn)行。當(dāng)細(xì)胞遇高溫、高滲透壓等不利的環(huán)境條件時(shí)，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞氧化還原功能障礙，影響細(xì)胞生長(zhǎng)代謝過(guò)程，如信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，RNA、DNA和蛋白質(zhì)的合成以及細(xì)胞周期調(diào)節(jié)等，因此細(xì)胞可通過(guò)ATP酶催化ATP水解產(chǎn)生能量，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[66,67]。酵母的質(zhì)膜H+-ATP酶(Plasma Membrane H+-ATPase，Pma1)由基因pma1編碼，屬于分布廣泛的一類重要的P2型ATP酶[68]。Pma1是產(chǎn)生電化學(xué)質(zhì)子梯度的重要酶，可穿過(guò)質(zhì)膜，為次級(jí)溶質(zhì)運(yùn)輸系統(tǒng)提供能量，維持離子穩(wěn)態(tài)和細(xì)胞內(nèi)pH值，并間接調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝[69]。

生物體賴以生存的環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)可用性、滲透壓平衡、溫度和有害物質(zhì)在不斷變化。為抵御這些外部壓力，所有需氧生物都配備了廣泛的分子伴侶，如氧化還原分子伴侶[70,71]。酵母胞漿過(guò)氧化物酶PrxS可根據(jù)環(huán)境條件從低分子量(Low Molecular Weight，LMW)形式轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻肿恿?High Molecular Weight，HMW)形式。當(dāng)其處于LMW形式時(shí)，PrxS主要發(fā)揮過(guò)氧化物酶功能；而處于HMW形式時(shí)，PrxS可作為分子伴侶發(fā)揮功能，這種過(guò)氧化物酶-分子伴侶功能的轉(zhuǎn)換賦予酵母細(xì)胞抗應(yīng)激能力[72,73]。有研究表明，酵母細(xì)胞遭遇熱應(yīng)激后，可誘導(dǎo)Ytp1 (一種GTP酶)可逆聚成HMW形式，這種結(jié)構(gòu)變化使Ytp1失去原有的GTP酶活性，但賦予該蛋白一種新的分子伴侶活性；當(dāng)細(xì)胞從熱應(yīng)激中恢復(fù)，Ytp1蛋白會(huì)回到LMW形式，發(fā)揮其GTP酶功能。Ytp1蛋白在HMW和LMW形式之間的變換，賦予酵母細(xì)胞適應(yīng)不同溫度環(huán)境的能力[74,75]。此外，Rho1也是一個(gè)具有GTP酶活性且與酵母氧化應(yīng)激相關(guān)的蛋白，已有報(bào)道證實(shí)Rho1的突變體對(duì)溫度敏感且會(huì)使胞質(zhì)中ROS積累水平升高，因此Rho1可通過(guò)調(diào)節(jié)包括Ycf1在內(nèi)的多種下游靶點(diǎn)來(lái)保護(hù)酵母細(xì)胞免受氧化應(yīng)激帶來(lái)的損害[76,77]。

在正常的細(xì)胞代謝過(guò)程中，活性氧ROS主要通過(guò)呼吸和光合電子傳遞鏈不斷產(chǎn)生[78]。這些高反應(yīng)性分子可與多種細(xì)胞成分發(fā)生反應(yīng)，破壞DNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)[79]。因此，細(xì)胞必須有一定的防護(hù)機(jī)制嚴(yán)格控制ROS的濃度。當(dāng)酵母細(xì)胞遭受熱應(yīng)激后，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞的氧化損傷，因此酵母細(xì)胞也含有超氧化物歧化酶SOD、過(guò)氧化氫酶和過(guò)氧化物酶Prx等抗氧化系統(tǒng)，以去除細(xì)胞中的活性氧[19]。酵母細(xì)胞中的超氧化物歧化酶，包括線粒體基質(zhì)中的錳超氧化物歧化酶SOD2和胞漿/膜間隙中的銅鋅超氧化物歧化酶SOD1，可將過(guò)氧化氫歧化為水和二氧化碳，保障電子傳遞鏈的正常運(yùn)行，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[80]。過(guò)氧化物酶體過(guò)氧化氫酶A(Cat1)和細(xì)胞溶質(zhì)過(guò)氧化氫酶T(Ctt1)在細(xì)胞受到不同的應(yīng)激條件(如熱應(yīng)激)時(shí)可被誘導(dǎo)表達(dá)，因此這兩種酶的活性對(duì)于保護(hù)酵母細(xì)胞在高溫條件下免遭氧化損傷的侵害至關(guān)重要[81]。過(guò)氧化物酶可分為4種類型：2-Cys-Prx，1-Cys-Prx，Prx-Q和Ⅱ型Prx (PrxⅡ)，這4種類型的過(guò)氧化物酶均具有同樣的反應(yīng)機(jī)理，即催化半胱氨酸接收來(lái)自過(guò)氧化氫的氧原子，生成磺酸后，再由不同的分子(如硫氧還蛋白TRX)將其再生為還原形式，從而達(dá)到去除過(guò)氧化氫的目的。釀酒酵母的過(guò)氧化物酶主要是2-Cys-Prx (Tsa1、Tsa2、Ahp1和Dot5)和1-Cys-Prx (Prx1)兩種類型，其中Tsa1和Tsa2已被證實(shí)與酵母耐熱性相關(guān)，而Prx1能夠以硫氧還蛋白特有的方式去除過(guò)氧化氫,維持線粒體在高溫條件下的穩(wěn)定性[79]。酵母細(xì)胞中與耐熱相關(guān)的酶見(jiàn)表2。

表2 酵母細(xì)胞中與耐熱相關(guān)的酶

4 蛋白質(zhì)相互作用

細(xì)胞體內(nèi)含有多種多樣的蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)發(fā)揮自身活性作用或與其他蛋白質(zhì)相互作用構(gòu)成細(xì)胞的生化網(wǎng)絡(luò)，維持細(xì)胞的生命活動(dòng)。熱休克蛋白可作為分子伴侶在酵母熱應(yīng)激期間協(xié)助蛋白質(zhì)折疊以及復(fù)性錯(cuò)誤蛋白或激活沉默蛋白，以維持細(xì)胞的正常功能。

有研究表明，酵母熱休克轉(zhuǎn)錄因子Hsf1的活性抑制依賴于熱休克蛋白Hsp70-Ssa1的直接結(jié)合，即Hsp70-Ssa1可利用兩個(gè)暴露于蛋白表面的半胱氨酸殘基與Hsf1結(jié)合來(lái)抑制Hsf1的活性，當(dāng)細(xì)胞缺乏Hsp70-Ssa1時(shí)，轉(zhuǎn)錄因子Hsf1不能有效失活[82-84]。除Hsp70外，轉(zhuǎn)錄因子Hsf1也可與Hsp90相互作用，增加細(xì)胞短期的熱適應(yīng)[85]。Hsp90作為酵母細(xì)胞中重要的熱休克蛋白，有Hsp82和Hsc82兩種亞型，除能與轉(zhuǎn)錄因子Hsf1相互作用外，其活性和靶蛋白特異性受到其他分子伴侶，如Sti1、Cns1、Cdc37、Sba1、Aha1、Cpr6、Cpr7和Ppt1的調(diào)控。例如Sti1和Cns37可促進(jìn)Hsp70/Hsp90的相互作用，Cdc37可調(diào)節(jié)Hsp90作為折疊蛋白酶的活性，防止某些蛋白的聚集，而Sba1、Aha1、Cpr6、Cpr7和Ppt1可控制Hsp90作為ATP酶活性的分子伴侶來(lái)調(diào)控細(xì)胞的能量供應(yīng)[86-89]。熱休克蛋白Hsp104在進(jìn)化上是Hsp100家族中非常保守的一員，作為一種應(yīng)激誘導(dǎo)型分子伴侶，可形成六聚體與Hsp70、Hsp40協(xié)同作用激活一些損傷蛋白，從而保護(hù)酵母細(xì)胞免受高溫環(huán)境脅迫引起的損傷[90]。除上述的熱休克蛋白Hsp70和Hsp90外，小熱休克蛋白sHsp26通常以二十四聚體的形式存在，當(dāng)細(xì)胞遭受高溫時(shí)可及時(shí)解聚成二聚體與Hsp70、Hsp104相互作用對(duì)相關(guān)底物進(jìn)行復(fù)性[91,92]。上述研究表明，酵母可利用不同的熱休克蛋白Hsp、小熱休克蛋白sHsp、熱休克轉(zhuǎn)錄因子等蛋白之間的相互作用，提高細(xì)胞對(duì)溫度變化的適應(yīng)能力，從而促進(jìn)細(xì)胞在高溫環(huán)境下的生存能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

酵母作為工業(yè)上應(yīng)用廣泛的微生物之一，其耐高溫的性能對(duì)工業(yè)發(fā)酵具有十分重要的作用。盡管人們對(duì)酵母耐高溫的分子機(jī)制研究已取得較大的進(jìn)展，但細(xì)胞耐受高溫脅迫是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，仍存在許多未解之謎亟待研究，如酵母細(xì)胞對(duì)高溫環(huán)境感知與應(yīng)答的分子機(jī)制，是否有其他未報(bào)道的轉(zhuǎn)錄因子參與耐高溫的調(diào)控，非傳統(tǒng)酵母與傳統(tǒng)酵母的耐高溫分子機(jī)制存在哪些差異，非傳統(tǒng)酵母在耐高溫脅迫方面優(yōu)于傳統(tǒng)酵母的原因等。因此，對(duì)酵母耐高溫分子機(jī)制進(jìn)行深入研究，不僅有利于我國(guó)發(fā)酵工業(yè)對(duì)耐高溫菌株的選育，而且有利于能耗的降低和水資源的利用，簡(jiǎn)化和優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程，促進(jìn)我國(guó)發(fā)酵工業(yè)的環(huán)境友好型轉(zhuǎn)變。