光照可以诱导膜的超极化反应(hyperpolarization)(Gresik et al.,1991;Horwitz et al.,1984)。光照启动了细胞膜上的K+通道,K+的胞外转运引起了膜的超极化;光也会引起胞内的氧爆发(oxidative burst),H+从光刺激的线粒体(mitochondria)中释放到细胞质中,以补偿细胞质中的离子流失。质子的释放导致了细胞质的酸化,从而使得细胞膜去极化。H+穿过线粒体膜的过程驱动了ATP的合成,ATP含量增加和细胞膜的去极化共同激活了腺苷酸环化酶(adenylate cyclase),并短暂增加胞内cAMP含量,从而使得蛋白磷酸化(Gresik et al.,1988;Kolarova et al.,1992)。在这一过程中,跨膜受体G蛋白参与其中(Gresik et al.,1988)。
在真核与原核生物中,cAMP都起到第二信使的作用。绿色木霉中,光照后cAMP含量短暂升高,在含有cAMP降解抑制物的条件下,光诱导的孢子产量显著提高(Gresl′k et al.,1988;Sulova et al.,1991)。黑暗条件下外源施加 cAMP 类似物联丁酰基-cAMP(dibutyryl-cAMP)可以促进菌丝产生孢子;无论有无光照条件,外源的cAMP或者类似物都可以显著刺激绿色木霉和深绿木霉产生孢子;光照下腺苷酸环化酶抑制剂阿托品(atropin)可以抑制孢子产生(Berrocal-Tito et al.,2000)。cAMP在原核细胞中起到饥饿信号传递作用时,环境中的高葡萄糖降低胞内cAMP含量。在高葡萄糖条件下,外源的cAMP在绿色木霉中的作用更为显著,这表明cAMP在木霉中起到饥饿信号的作用(Nemcovic et al.,1998)。在绿木霉中克隆到了腺苷酸环化酶基因tac1(Lee et al.,2003)。绿木霉的tac1基因敲除突变体不能在黑暗下产生孢子,这就证明了无光条件下对饥饿的感知是cAMP依赖的;然而,光照下该突变体仍可以产生孢子,这表明cAMP可以促进光诱导的孢子形成,而不是这一过程所必需的(Mukherjee et al.,2007)。在研究碳源和cAMP关系时发现:在95种碳源中,cAMP既可以促进某些碳源下的孢子产生,也可以抑制某些碳源下的孢子产生。
另一个证实的光受体光裂合酶(photolyase)由phr1编码,光裂合酶可以调控自身基因phr1的表达(Berrocal-Tito et al.,1999,2007)。由于没有抑制剂可以影响光裂合酶(photolyase)的转录,可以推测至少存在两种不依赖于蓝光的信号通路(Berrocal-Tito et al.,2000)。首先发现的是蓝光脉冲后得到提高的cAMP依赖型蛋白激酶(cAMP dependent protein kinase,PKA)(Casas-Flores et al.,2006)。这种现象在△blr-1和△blr-2突变体中都可以检测到,这就明确了存在一种cAMP相关的光感受通路。深绿木霉转入PKA调控亚基的反义pkr-1基因后,PKA活性增加,此菌株不能在蓝光脉冲下产生孢子。过表达pkr-1基因后,PKA活性降低,菌株能在黑暗条件下产生孢子。这表明深绿木霉cAMP调控的无性繁殖存在着复杂的机制。然而,对光受体介导的cAMP信号通路还没有系统的研究。深绿木霉中,PKA活性不仅仅直接影响光诱导的孢子产生,而且影响了蓝光经BLR蛋白调控的基因表达(Casas-Flores et al.,2006)。在PKA低活性的转化株中,蓝光激活的基因转录受抑制。这表明PKA参与了光感受过程,可以假定:BLR蛋白是PKA的底物之一或者PKA调控BLR复合体转录过程的一个必要元件(Casas-Flores et al.,2006)。
蛋白的磷酸化是蛋白转录后的调控,由蛋白激酶催化。通过分子生物学和生物化学的研究发现,在深绿木霉中cAMP信号通路与蓝光响应相互调节。突然的碳饥饿可以诱导野生型深绿木霉产生孢子,但是不能诱导突变体△blr-1和△blr-2 产生孢子(Casas-Flores et al.,2006)。在缺乏葡萄糖的培养基中加入cAMP,突变体△blr-1和△blr-2恢复野生型表型,这揭示了cAMP参与了BLR相关的饥饿响应。外源施加cAMP可以改变碳源依赖的光诱导孢子形成。
在里氏木霉中克隆到了蛋白激酶C同源基因(Morawetz et al.,1996),在哈茨木霉中克隆到了至少两个14-3-3蛋白质编码基因(Klemsdal et al.,1996)。利用蛋白激酶C抑制剂(星孢菌素 staurosporin,双吲哚马来酰亚胺 bisindolylmaleimide)及磷脂酶C抑制剂·78·(新霉素,LiCl)(Wildman,1991)进行有关实验,结果证明蛋白激酶C信号途径存在于木霉中。PKC的一个有趣的特点是它对Ca2+不敏感(Lendenfeld et al.,1997;Morawetz et al.,1996),也没有自主磷酸化调控现象(Lendenfeld et al.,1997)。在绿色木霉中过量表达pkc1,导致菌株生长减弱,但分枝大量增加(Morawetz et al.,1996),这种现象与酵母相似,由此可以推断PKC在木霉和酵母中的作用是相似的,并且主要作用于极性生长的调控。与其他真菌和酵母相比,木霉PKC蛋白在N端有额外的400个氨基酸,其功能未知,但包含一个典型的蛋白质结合结构域(Morawetz et al.,1996);Lendenfeld等(1997)的研究结果也支持这一观点,一个110kDa的蛋白质特异性地结合在这个N端,但110kDa蛋白质的作用还不清楚。直到近年来,蛋白激酶在木霉中介导的信号通路才被揭示。真菌中cAMP通过cAMP依赖的蛋白激酶PKA调节生理效应(Lee et al.,2003)。cAMP绑定到PKA调节亚基(regulatory subunit)后,释放催化亚基(catalytic subunit),从而蛋白激酶活性被激活。PKA可以被蓝光信号途径激活:光照5min后深绿木霉中PKA活性显著增加,这一过程不依赖BLR1-BLR2复合体(Casas-Flores et al.,2006)。PKA活性在PKA调节亚基pkr-1基因的反义突变体中显著提高,光或葡萄糖剥夺不能诱导孢子产生,在无葡萄糖中添加cAMP后可以形成孢子,但是孢子形成不呈环带状,而是在菌落中心产生孢子。由此可以认为cAMP诱导的孢子至少有一部分不依赖PKA途径。在pkr-1过表达菌株中PKA活性显著降低,在任何实验条件下,尤其是在光照和cAMP存在的条件下,菌丝大量产孢。pkr-1反义突变体依然可以转录光响应的BLR调节基因;而pkr-1过表达菌株则不表达光响应的BLR调节基因。这充分表明cMAP-PKA途径交叉调控了BLR途径:蓝光快速响应基因的转录需要较高的PKA活性,而在孢子发育过程中需要较低的PKA活性。一定剂量的光照后WC-1蛋白被磷酸化,这种磷酸化作用启动了蓝光快速诱导的基因表达(Schwerdtfeger et al.,2003)。在黑暗生长的细胞和光适应的细胞中,蛋白激酶PKC通过磷酸化调节WC-1活性(Franchi et al.,2005)。可以推测木霉中cMAP-PKA对BLR的交叉调控是通过PKA磷酸化BLR1实现的。