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月鱼基因组阐述水生生物恒温性

编译者:liguiju发布时间:Dec 6, 2021点击量:184 来源栏目:科研动态

恒温是一种能够产生和保存代谢热量,维持高于周围环境的体温的能力。恒温常见于哺乳动物和鸟类。由于水的高导热性,鱼类在保持体温方面面临着巨大的挑战,只有不到0.1% 的鱼类能够保存体内产生的热量。恒温性鱼类具有强的游泳效率,高耐寒性,垂直迁移的良好视力,以及在捕食者-猎物互动和生态位扩张方面的竞争优势。金枪鱼,剑鱼等被称为局部恒温物种,最近人们发现月鱼,具有全身恒温,这被认为是鱼类中独一无二的。然而,其潜在的分子机制仍不清楚。月鱼为研究水生动物全身恒温动物的进化机制提供了极好的机会。

全球分布的月鱼最初被描述为Lampris guttatus (Brünnich, 1788),后来根据地理分布和形态学分为小眼太平洋月鱼(Lampris incognitus)、南部斑点月鱼(Lampris australensis)、大眼太平洋月鱼(Lampris meggalopsis)、北大西洋月鱼(Lampris guttatus)和东大西洋月鱼(Lampris lauta)。近日,中国科学院深海科学与工程所何舜平研究团队在期刊Zoological Research接收题目为“Opah (Lampris megalopsis) genome sheds light on the evolution of aquatic endothermy”的研究。该研究的月鱼是由中国金枪鱼延绳钓船“平太荣65号”在南印度洋海域采集,并于2018年9月12日由“平太荣冷2号”运往中国舟山进行解剖和肌肉提取。细胞色素c氧化酶I (CoI)和细胞色素b (Cytb)基因建树,鉴定该样品为大眼太平洋月鱼 (L. megalopsis)。我们组装了大眼太平洋月鱼的基因组(1 091 Mb),由12081个contigs组成,其中contig N50为590 kb, N90为30 kb。在月鱼基因组中共注释了23755个基因。

他们利用月鱼基因组与其他非恒温鱼类进行比较基因组学分析,单拷贝直系同源基因进行正选择和快速进化分析,多拷贝基因家族进行扩张和收缩分析,候选基因进行GO和KEGG注释富集,发掘与月鱼产热和保温相关的候选基因。基于之前形态学的研究,他们已经知道月鱼的产热方式之一是深红色肌肉的代谢产热,慢肌的含量是目前已报道鱼类中最高的,所以他们在慢肌的发育和分化相关的基因中发现了3个正选择基因和1个快速进化基因,其中Gli1和Dcn均被报道降低表达慢肌含量减少,反之亦然;在肌肉的收缩和舒张过程中,钙离子的扮演着非常重要的角色,钙离子能够调控收缩蛋白的活性,KEGG 钙离子的信号通路中他们发现了3个正选择基因还有3和基因家族扩张;肌纤维的组装中,有6个正选择基因参与肌纤维的正确组装和肌纤维的基本组成。月鱼高的颅温来自于另一个产热方式,眼睛上直肌的肌肉有高的柠檬酸活性,之前也有人报道是由肌磷脂蛋白(Sln)介导的非颤抖性产热,肌肉中缺少肌纤维,有更高含量的Serca和Ryr1,当肌磷脂蛋白与Serca结合时导致钙离子“打滑”,从而导致更高的ATP消耗产热;月鱼中Serca基因快速进化,Ryr1基因受到正选择。任何机器的运转都离不开能量的供应,月鱼全身性的恒温预示着比其他鱼类消耗更大的能量;我们在能量供应方面发现,1个正选择基因Pgm2涉及到糖异生,还有1个正选择基因Dlat涉及到三羧酸循环,另外他们发现在乳酸脱氢酶A(Ldha)中有两个正选择位点,经过基因合成,原核表达,扩大化培养,纯化蛋白后检测酶活性显示,月鱼的乳酸脱氢酶A活性高于三刺鱼,月鱼正选择位点突变后酶活性显著性降低,说明月鱼的乳酸脱氢酶酶A活性高于三刺鱼,且正选择位点扮演了重要的角色;保温方面,由于水的高比热容,鱼类恒温的一个重大挑战是鳃中的热量散失,月鱼鳃弓的解剖显示存在逆热流交换的血管网,在眼睛的上直肌中同样存在;在血管的发育过程中2015年Kidoya报道老鼠皮肤中动静脉血管并列的现象是由动脉血管产生Apelin,静脉血管特异性表达Apelin 受体,Apelin诱导静脉血管内皮趋化性,动静脉血管之间细胞外基质重构支持静脉移位,最终使动脉血管和静脉血管平行;其中Ang1能够诱导Apelin表达,Ang-1 在月鱼中扩张;或许在某种程度上增加了月鱼中丰富的逆热流交换血管网的形成;保温的另一个策略是厚的脂肪组织,在深红色慢肌、鳃弓中逆热流交换血管网和眼睛上直肌都外被厚的脂肪组织隔绝海水,所以他们又将目光放在了脂肪相关的通路中,在脂肪酸代谢通路中Aact受到正选择,Insig1和Ebf2快速进化;脂肪不仅有物理的隔离作用,同时脂肪因子也会影响内部的血管功能通过AMPK信号通路,我们在AMPK信号通路中发现有2个快速进化基因Adipor和Insig1;

在该研究中,科学家们首次发布了大眼太平洋月鱼的基因组,并与非恒温鱼类进行了比较基因组分析,揭示了恒温鱼类的遗传基础。通过对正选择、快速进化和基因家族扩张分析,他们发现了可能与产热和保温有关的候选基因丰富了鱼类中恒温的研究,为清晰水生生物恒温性奠定基础。

中国科学院深海科学与工程研究所何舜平与水生所杨连东为该研究的通讯作者,薄晶为论文第一作者。

  https://www.zoores.ac.cn/en/article/doi/10.24272/j.issn.2095-8137.2021.183

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