英文原题：The canalization in domesticated yeast: Metabolic traits develop robustness against Hsp90 stress during the evolutionary process

作者：Xiao Zhang, Changqing Liu, Yongqiang Gao, Lijuan Liu*, Haibo Zhang*

01 论文信息

论文信息

Zhang X, Liu C, Gao Y, et al. The canalization in domesticated yeast: Metabolic traits develop robustness against Hsp90 stress during the evolutionary process[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.11.002

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The canalization in domesticated yeast: Metabolic traits develop robustness against Hsp90 stress during the evolutionary process

中文解读原链接

Green Carbon文章 | 中国科学院青岛能源所张海波研究员：酵母驯化中Hsp90应激驱动的代谢稳健性渠化

02 背景简介

1942年，英国著名发育生物学家康拉德·霍尔·沃丁顿（Conrad Hal Waddington）提出了渠化（canalization）这一概念，用以描述生命体面对内在基因突变和外界环境胁迫时呈现的生命系统稳健性，即能够缓冲各种内源和外源的扰动，维持表型的稳态。长期以来，这一现象在生物分子遗传学研究中常被视为简单的基因冗余而被忽略，缺乏对其背后分子机制的深入研究。而发育鲁棒性恰恰是生物应对极端环境胁迫应具备的核心性状。热休克蛋白90（Hsp90）是一种ATP依赖的蛋白质折叠伴侣，作为一种渠化机制，它能够保护细胞内蛋白质稳态，缓冲蛋白质折叠过程中的扰动，减轻有害突变的影响，并隐蔽某些突变表型。然而，这种渠化机制的具体运作尚未被完全解析。

最近美国德克萨斯大学Georgios loannis Karras团队在Science发表题为“Selection for robust metabolism in domesticated yeasts is driven by adaptation to Hsp90 stress”研究论文，该研究揭示了在重要经济生态系统中渠化机制的作用，并强调了Hsp90依赖性变异在复杂性状中的重要作用，为理解适应性进化提供了新的视角。来自中国科学院青岛生物能源与过程研究所张海波研究员团队进一步在Green Carbon发表题为“The canalization in domesticated yeast: Metabolic traits develop robustness against Hsp90 stress during the evolutionary process”文章，对上述突破性工作进行了评述，强调了环境渠化机制在推动生物快速适应具有重要经济意义的生态环境中的作用，并进一步指出，Hsp90依赖的变异将为疾病和生物技术领域的应用提供重要基础。

03 文章简介

生物系统通过渠化机制维持对遗传和环境扰动的稳健性。其中Hsp90通过缓冲蛋白质折叠异常，允许隐性遗传变异积累，从而在压力下使这些变异得以显现，并驱动适应性进化，酿酒酵母是研究该机制的理想模型。在其驯化过程中演化出对麦芽糖 / 麦芽三糖的高效代谢能力及乙醇耐受性，而Hsp90在调控糖代谢通路（如辅助转录因子Mal63折叠）时，其功能可能受到乙醇等代谢产物的干扰，导致代谢通路功能异常。野生酵母与驯化酵母在Hsp90应激下的代谢稳健性差异显著，且驯化酵母携带麦芽糖代谢相关基因（如MAL簇）的重复。然而，这些基因如何通过与Hsp90互作增强代谢稳健性，以及工业压力如何筛选隐性变异等关键科学问题尚未明确。解析这些机制对于理解生物适应性进化及推动工业微生物优化具有重要意义。近期，美国德克萨斯大学MD安德森癌症中心的Georgios Ioannis Karras在Science发表题为“Selection for robust metabolism in domesticated yeasts is driven by adaptation to Hsp90 stress”研究论文。这项工作解析了一种长期以来模糊不清的环境渠化机制，证明了人工选择下，酵母驯化的基因组特征中冗余复制的适应性价值，并发现了Hsp90在酵母代谢中比以往认为的更广泛的作用。在酵母驯化过程中，麦芽糖和麦芽三糖代谢经历了对乙醇诱导的Hsp90胁迫的渠化，基因冗余和Hsp90缓冲作为两种主要的鲁棒性机制共同促进了这一过程。同时，这项工作解决了关于冗余作为自然渠化机制的争议，揭示了冗余（基因复制）和分布式鲁棒性（非冗余调节基因）在渠化过程中的相互作用，并突出了Hsp90依赖性变异的进化意义。这项研究推翻了以往关于中性驯化和副产品选择的假设，强调了Hsp90在酵母进化中的关键角色，阐明了渠化如何使物种迅速适应环境变化。

总结及展望

这项研究揭示了基因冗余作为渠化机制的作用并阐明了冗余与分布式稳健性的互作机制，强调Hsp90应激是塑造渠化生态进化动态的关键力量。该发现为工业菌株优化、农作物抗逆性改良及基于Hsp90靶点的抗肿瘤药物研发提供了新思路，尤其在农业中可利用Hsp90依赖性变异筛选突变性状、通过渠化机制提升作物产量和鲁棒性，在人类健康领域则有望结合渠化与代谢关系开发更精准安全的抗癌疗法，同时研究强调的环境背景对进化的重要性也为物种快速适应环境变化的分子策略提供了新视角。

04 作者简介

张海波 研究员

张海波，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，系统微生物工程研究组组长，博士生导师，Green Carbon主编助理、青年编委。主要研究方向为微生物开放式发酵和代谢工程。相关工作以通讯（含共同通讯作者）或第一作者在Nat Commun（期刊Highlight文章）等刊物上发表SCI论文50余篇，引用超3000余次，申请专利50项（已授权20项）。2016年入选中国科学院青年促进会会员，2017年获中国工程院设立的第三届“闵恩泽能源化工青年进步奖”，2019年入选“泰山学者青年专家”，2020年获批“山东省杰出青年基金”并担任项目负责人，2021年荣获“青促会优秀会员”等荣誉称号，2024年荣获“千创汇•智崂山”创新创业大赛一等奖。

05 Green Carbon

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