近日，中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所和水生生物研究所何舜平團(tuán)隊(duì)，在《Water Biology and Security》期刊上發(fā)表了一項(xiàng)研究成果《Lipidome and proteome analyses provide insights into Mariana Trench Snailfish (Pseudoliparis swirei) adaptation to the hadal zone》，詳細(xì)揭示了馬里亞納海溝獅子魚(yú)（Pseudoliparis swirei）如何通過(guò)調(diào)節(jié)脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的代謝機(jī)制，成功適應(yīng)全球最深的海洋環(huán)境。首次通過(guò)對(duì)脂質(zhì)組和蛋白質(zhì)組的聯(lián)合分析，研究團(tuán)隊(duì)揭示了該魚(yú)類(lèi)如何在極端的高壓、低溫和食物匱乏環(huán)境中生存的關(guān)鍵分子機(jī)制。
挑戰(zhàn)重重的深淵帶環(huán)境
馬里亞納海溝位于地球最深處，常年處于黑暗中，極高的水壓和低溫對(duì)生物的生存構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。水深每下降10米，水壓便增加0.1兆帕（MPa），對(duì)大多數(shù)生物的細(xì)胞過(guò)程如分裂、代謝等造成了極大干擾。此前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在基因組和轉(zhuǎn)錄組水平上對(duì)深淵獅子魚(yú)的適應(yīng)性機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的探討，但在脂質(zhì)代謝組和蛋白質(zhì)組水平上目前還未有相關(guān)研究。
能量?jī)?chǔ)存與利用機(jī)制的突破
深海魚(yú)類(lèi)普遍具有較大的肝臟組織，尤其是深淵獅子魚(yú)膨大的肝臟特別引人注目。該研究中，科研團(tuán)隊(duì)對(duì)捕獲于馬里亞納海溝不同深度（2,027至7,125米）的五種深海魚(yú)類(lèi)（包括Bathysaurus mollis、Coryphaenoides rudis、Ilyophis sp.、I. brunneus以及馬里亞納海溝獅子魚(yú)（MHS）的肝臟組織脂質(zhì)代謝組和蛋白質(zhì)組進(jìn)行了深入的分析，揭示了深淵獅子魚(yú)獨(dú)特的生存策略。研究檢測(cè)了8個(gè)大類(lèi)，36個(gè)亞類(lèi)的脂質(zhì)分布，結(jié)果表明MHS與其他四種深海魚(yú)類(lèi)的總脂質(zhì)水平相當(dāng)，三酰基甘油（TG）作為主要的能量?jī)?chǔ)備，在深海魚(yú)類(lèi)脂質(zhì)組中均占據(jù)主導(dǎo)地位。此外，自由脂肪酸（FFA）、膽固醇及其酯類(lèi)（CE，膽固醇）、磷脂和二?；视停―G）也是深海魚(yú)類(lèi)肝臟中主要的脂質(zhì)成分。磷脂和甾醇是膜結(jié)構(gòu)的重要組成部分，而自由脂肪酸對(duì)于深海魚(yú)類(lèi)的細(xì)胞調(diào)節(jié)至關(guān)重要。研究發(fā)現(xiàn)，馬里亞納獅子魚(yú)通過(guò)顯著增加肝臟中的膽固醇酯（CE）、醚鍵三?；视停═G-O）、輔酶Q（CoQ）和ATP酶含量，幫助其在食物匱乏的條件下儲(chǔ)存和有效利用能量。這種機(jī)制極大地延長(zhǎng)了獅子魚(yú)在深海環(huán)境中的生存能力，尤其是在長(zhǎng)時(shí)間禁食的情況下，這些分子儲(chǔ)備可被分解用于提供能量。
維持高壓下細(xì)胞膜的流動(dòng)性
此外，與其他深海魚(yú)類(lèi)相比，深淵獅子魚(yú)表現(xiàn)出脂肪酸代謝路徑的顯著差異，特別其肝臟中含有更高比例的不飽和脂肪酸，進(jìn)一步的脂質(zhì)鏈長(zhǎng)度分析表明，深海魚(yú)類(lèi)肝臟中某些脂質(zhì)的脂肪酸鏈長(zhǎng)度趨向于更長(zhǎng)。在高壓環(huán)境下，保持膜流動(dòng)性對(duì)于深海生物的生存至關(guān)重要，膜的剛性主要通過(guò)膽固醇和磷脂酰乙醇胺（PE）調(diào)控，另外PE與磷脂酰膽堿（PC）的比值，也可以指示出膜的流動(dòng)性。該研究發(fā)現(xiàn)，在五種深海魚(yú)類(lèi)的肝臟組織中，MHS肝臟中的膽固醇和PE含量占總脂質(zhì)的比率顯著降低，且深淵獅子魚(yú)肝臟中PE與PC比值顯著降低。表明MHS優(yōu)化了脂質(zhì)比例，以在極端高壓下維持高膜流動(dòng)性，保障細(xì)胞功能和生存。
應(yīng)對(duì)氧化應(yīng)激的強(qiáng)大防御機(jī)制
深海環(huán)境中的食物匱乏和高壓條件會(huì)增加細(xì)胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生及氧化應(yīng)激風(fēng)險(xiǎn)，研究發(fā)現(xiàn)，馬里亞納獅子魚(yú)可以通過(guò)一系列抗氧化機(jī)制有效減少了氧化損傷。多不飽和脂肪酸和磷脂酰乙醇胺（PE）更容易氧化，這加劇了細(xì)胞的脆弱性，導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡。研究表明，深淵獅子魚(yú)類(lèi)通過(guò)增加單不飽和脂肪酸含量同時(shí)減少多不飽和脂肪酸含量，并降低磷脂酰乙醇胺（PE）等容易氧化的脂質(zhì)比例，有效降低了脂質(zhì)過(guò)氧化的風(fēng)險(xiǎn)。此外，獅子魚(yú)肝臟中轉(zhuǎn)鐵蛋白（Transferrin）和熱休克蛋白（HSPs）的顯著高表達(dá)，進(jìn)一步增強(qiáng)了其對(duì)抗氧化應(yīng)激的能力。轉(zhuǎn)鐵蛋白能夠有效調(diào)節(jié)體內(nèi)的鐵平衡，防止自由鐵引發(fā)的氧化應(yīng)激，而熱休克蛋白則在極端壓力下幫助蛋白質(zhì)折疊和修復(fù)，是細(xì)胞生存的關(guān)鍵。
深海適應(yīng)的分子機(jī)制揭示更多適應(yīng)性進(jìn)化
本次研究不僅揭示了獅子魚(yú)在深海環(huán)境中的適應(yīng)機(jī)制，還為深海魚(yú)類(lèi)在營(yíng)養(yǎng)匱乏和極端環(huán)境中如何通過(guò)代謝調(diào)節(jié)來(lái)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)提供了重要線(xiàn)索。研究顯示，馬里亞納獅子魚(yú)的脂質(zhì)代謝路徑與膽固醇代謝、脂肪消化吸收、膜流動(dòng)性調(diào)節(jié)等密切相關(guān)，尤其是通過(guò)調(diào)節(jié)膽固醇和磷脂的含量，使其在高壓環(huán)境下能夠保持細(xì)胞膜的流動(dòng)性。此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，該魚(yú)類(lèi)的胰島素抵抗途徑在深海適應(yīng)中發(fā)揮了重要作用，可能通過(guò)促進(jìn)脂肪生成來(lái)應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期的營(yíng)養(yǎng)匱乏。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步揭示了深海魚(yú)類(lèi)如何在長(zhǎng)期的生存壓力下進(jìn)行能量保留與代謝調(diào)節(jié)。
圖1. 五種深海魚(yú)類(lèi)的采樣地點(diǎn)
圖2. MHS肝臟組織的脂質(zhì)組和蛋白質(zhì)組分析揭示適應(yīng)機(jī)制
圖3. MHS與其他四種深海魚(yú)類(lèi)間具有顯著差異的脂質(zhì)代謝物
圖4. MHS與其他四種深海魚(yú)類(lèi)脂質(zhì)代謝差異的KEGG富集分析
未來(lái)展望：為深海生物適應(yīng)性研究開(kāi)辟新方向
該項(xiàng)研究的結(jié)果為深海生物對(duì)深淵環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制研究提供新的視角。研究團(tuán)隊(duì)指出，未來(lái)將通過(guò)進(jìn)一步探測(cè)更多深海魚(yú)類(lèi)的脂質(zhì)組和蛋白質(zhì)組，深入研究不同深度環(huán)境中的生物適應(yīng)性。
該研究由中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性?xún)?yōu)先研究計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金支持，中科院深海所徐涵博士為本研究的第一作者，何舜平研究員為本研究的通訊作者。?
文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.watbs.2024.100295
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