李雪莹/窦非/李万杰课题组合作揭示Hsp90在酵母短期耐药性演化中的作用
Hsp90作为一种重要的分子伴侣，能够协助其他蛋白质正确折叠和维持结构稳定。1998年，Rutherford和Lindquist提出，Hsp90可能发挥类似演化“电容器”（evolutionary capacitor）的作用，通过缓冲遗传变异对表型的影响来维持生物的演化稳健性（robustness）。在“电容器”的比喻中，Hsp90在演化中可能扮演两个角色：一个是“缓冲（buffer）”的角色——Hsp90的存在可以降低表型多样性。从这个角度来看，Hsp90的存在可能会限制或者减缓演化的进程。另一个是“赋能（potentiator）”的角色，因为Hsp90的存在可能允许隐秘突变（cryptic variation）的积累，这些隐秘突变可能会在环境变化时为生物提供适应性。从这一角度来看，Hsp90的存在可以提高演化潜力。此后，有多项经验性研究对Hsp90在演化中的作用究竟是限制还是促进进行了探讨，发现其角色往往受到遗传背景和环境条件等因素的影响。
2026年11月6日，北京师范大学生命科学学院李雪莹课题组与窦非、李万杰课题组合作在国际学术期刊Biology Open发表题为“Hsp90编码基因的遗传干扰影响酿酒酵母抗真菌耐药性的短期演化轨迹（Genetic disruptions of Hsp90-encoding genes impacted short-term evolutionary trajectories of antifungal resistance in Saccharomyces cerevisiae）”的研究论文。研究以酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）为实验对象，通过构建具有不同Hsp90突变的酵母菌株并对其在克霉唑选择压力下开展实验室演化，探究了分子伴侣Hsp90对生物的适应性演化过程的影响。
研究发现，Hsp90功能状态的改变并不影响酵母最终演化出克霉唑耐药性，但会影响其早期适应速率及短期分子演化轨迹。研究构建了四个Hsp90编码基因的突变体，分别为酿酒酵母中两个编码Hsp90的基因HSC82与HSP82的缺失突变体，以及HSP82的两个亚效等位基因突变体hsp82-T101I与hsp82-G313S。其中，T101I突变影响Hsp82的ATP酶活性，而G313S突变破坏Hsp82的中部结构域。研究者将这些菌株在低浓度抗真菌药克霉唑培养基上演化49天，并且测定第0天、第28天和第49天的克霉唑抗性，以此表征其适应速率（图1）。结果表明，缺失组成型表达的Hsp90编码基因HSC82，会显著减缓酵母在演化早期获得克霉唑耐药性的速度。在演化第28天时，与其他基因型相比，HSC82缺失菌株尚未表现出相同水平的耐药性。然而，随着选择压力持续作用，演化至第49天，不同基因型的酵母菌株均获得了较高水平的克霉唑耐药性，且整体耐药水平趋于一致。这表明，Hsp90虽然有助于酵母在演化早期适应药物选择压力，但并非获得耐药性的必要条件。此外，hsp82-T101I突变株也表现出不同于野生型的耐药演化动态，提示不同Hsp90突变可能对适应性演化产生不同影响。
图1：不同Hsp90遗传背景下酵母克霉唑耐药性的演化动态及遗传变化：（A）不同演化时间点酵母在YPD培养基及含克霉唑培养基中的生长曲线；（B）不同演化时间点的生长曲线下面积（AUC），用于表征菌株的总体生长水平；（C）不同演化时间点的最大种群规模（K）。
另一方面，全基因组测序揭示了不同遗传背景下酵母适应克霉唑选择压力的分子基础（表1）。研究发现，线粒体基因组缺失是演化群体中较为普遍的遗传变化。此外，研究还发现了多种单核苷酸变异（SNV），其中包括已知耐药热点基因PDR1和SUR1的变异。部分演化群体还出现了染色体拷贝数增加。尤其值得注意的是，三个独立的HSC82缺失演化群体均出现了第VIII号和第XV号染色体的复制，表现出趋同的染色体变化。
表1：不同Hsp90突变体在演化后的遗传变化
这些结果以较高的时间精度揭示了Hsp90对演化过程的影响，为深入理解Hsp90在演化中的“电容器”作用提供了新的经验性证据。在本研究的短期演化过程中，HSC82有助于酵母在早期适应克霉唑选择压力（符合“potentiator”的角色），但并非最终获得耐药性的必要条件。与此同时，三个独立的HSC82缺失群体均出现了第VIII号和第XV号染色体重复，提示特定适应性演化路径可能依赖于Hsp90的基因型。此前，已有研究发现Hsp90功能受到抑制时可能诱导酵母染色体发生非整倍体化，本研究的结果也与这一发现相吻合，提示Hsp90不仅可能通过影响遗传变异的表型效应参与适应性演化，还可能通过影响特定类型遗传变异的突变率（如非整倍体的发生频率）来影响演化过程。此前研究已经揭示，酵母可以通过包括点突变、线粒体基因组突变和非整倍化等多条适应性路径演化出克霉唑抗性，Hsp90的基因型虽然没有改变演化的最终结果（所有菌株最后都演化出了抗性），但它影响了众多热点路径中的哪一条路径受到选择。
北京师范大学生命科学学院李雪莹、梁淼、韩欣颖、李万杰及窦非共同开展了本项研究。其中，李雪莹讲师为第一作者，李雪莹讲师、李万杰高级工程师和窦非教授为共同通讯作者，研究生梁淼、韩欣颖为中间作者。本研究获得中央高校基本科研业务费和国家自然科学基金项目资助。