酵母能量的产生存在“阴盛阳衰”现象

作者：张雯雯
 
 
    真核生物包括真菌、植物和动物，几乎所有的真核生物的能量都主要由体内的线粒体产生。近日，中国科学院昆明动物研究所博士研究生江会锋等在导师王文和美国康奈尔大学教授顾正龙的指导下，首次发现在另一种真核生物酵母中产生能量的线粒体发生功能退化，同时发酵产能过程却被增强。这一现象提示，在真核生物中，这两种重要能量代谢途径可能在进化过程中存在某种竞争机制和相互转化的过程。

    据江会锋介绍，线粒体是真核生物通过有氧呼吸过程产生生物能量的工厂。绝大多数真核生物，比如人类，都有两种能量代谢过程，即无氧发酵过程和有氧呼吸过程。这两个过程就好比能量代谢的“阴”和“阳”的两个方面。日常生活中，人们普遍关注的是“阳”的这一面，即呼吸氧气，利用线粒体产生人类活动所需的能量；只有当剧烈运动能量需求过多的时候，“阴”的这一面才会表现出来，身体通过发酵过程补充能量，并产生乳酸。这也就是人们剧烈运动后肌肉酸痛的原因。

    一直以来，王文研究员领导的马普进化基因组学青年科学家小组，都致力于研究新基因的起源机制以及新基因所产生的功能效应。2007年7月，通过和美国康奈尔大学教授顾正龙合作，江会锋等发现，相对其他酵母物种，啤酒酵母在迄今1亿年左右的时候进化出了一种新的能量代谢方式，即有氧发酵过程。大规模的基因组信息比较分析提示，这一新的能量代谢方式和线粒体的功能相关。为此，他们利用多个物种的基因组数据进行比较分析，发现在发酵能力较强的酵母物种中，它们的线粒体发生了功能退化，也即呼吸过程产生的能量变少。相反，其他发酵能力较弱的酵母物种中，其线粒体功能高度保守。因此，当生物体内发酵能力增强时，就会使得其呼吸过程功能减弱，造成能量代谢的“阴”盛“阳”衰现象。

    中国的传统哲学认为，任何事物都有“阴”和“阳”，一阴一阳之谓道，生生之谓易。能量代谢的进化历史同样存在这个道理。原始的地球大气中没有氧气，此时“阴”为盛，发酵过程占主导。后来由于原始藻类吸收阳光释放氧气，氧(“阳”)气才逐步积累。氧气的积累使得绝大多数真核生物都利用线粒体进行有氧呼吸来产生生物能量，因此“阳”为盛。然而1亿年前的时候，由于大量的被子植物在地球上扩张，富含生物能量的果实(比如苹果、梨等)为啤酒酵母的生存提供了充足的能源。盛极而衰，在此种情形下，啤酒酵母进化出了一种新的能量代谢方式——有氧发酵过程，从而“阴”战胜了“阳”。

    目前，该研究成果已发表于国际著名基因组学刊物Genome Research(《基因组学研究》)上。据悉，他们还将以此为研究对象，继续探讨在啤酒酵母中“阴”盛“阳”衰的具体分子机制。