應(yīng)用紀(jì)要：高靈敏度質(zhì)譜定量脂質(zhì)組學(xué)揭示穴居魚類的特殊代謝途徑

研究背景
金線鲃屬（Sinocyclocheilus）是中國特有的稀有淡水硬骨魚類，其包括眾多河棲地表種和穴居洞穴種。世界各地的洞穴魚獨立進(jìn)化出一系列穴居生物特征和行為的適應(yīng)以提高生存能力，例如感覺增強(qiáng)、視力退化、色素沉著和優(yōu)勢攻擊性喪失，以及晝夜節(jié)律紊亂。由于脊椎動物的大腦在解剖結(jié)構(gòu)和神經(jīng)調(diào)節(jié)信號方面都表現(xiàn)出高度的保守性，因此行為的快速進(jìn)化可能轉(zhuǎn)而依賴于神經(jīng)調(diào)節(jié)信號網(wǎng)絡(luò)的不同劃分。地表魚和洞穴魚為了解大腦脂質(zhì)代謝如何調(diào)節(jié)神經(jīng)可塑性并最終導(dǎo)致進(jìn)化過程中出現(xiàn)不同的行為特征提供了一對天然樣本。

5-羥色胺（5-HT）受體（5-HTR）不同亞型介導(dǎo)的5-HT信號通路在系統(tǒng)發(fā)育上是保守的。異常的5-HT信號與包括抑郁癥和精神分裂癥在內(nèi)的多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)。由于膜脂微環(huán)境可能會改變受體-配體結(jié)合效率并進(jìn)一步影響其活性，那么神經(jīng)脂膜重塑的動態(tài)變化可能為調(diào)節(jié)5-HT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)提供了快速途徑。

研究人員首先進(jìn)行了腦轉(zhuǎn)錄組的基因集富集分析 (GSEA) 以研究金線鲃地表魚和洞穴魚兩個種群之間 KEGG 通路的差異。GSEA結(jié)果顯示，洞穴魚腦中的花生四烯酸（ARA）代謝通路和氧化磷酸化代謝通路相對于表層魚增強(qiáng)。然后，研究人員使用靶向 LC-MS/MS 方法分析了這兩個種群的全腦脂質(zhì)組。結(jié)果表明，地表魚腦中復(fù)雜糖鞘脂顯著升高。脂質(zhì)相關(guān)性分析顯示，洞穴魚大腦中儲存的甘油三酯 (TAGs) 和線粒體駐留心磷脂 (CLs) 之間存在強(qiáng)烈的負(fù)相關(guān)，而地表魚中不存在這種相關(guān)性。這意味著洞穴魚存儲的 TAGs 向游離脂肪酰的動員增強(qiáng)，同時這些脂肪酰通過腦中的線粒體氧化磷酸化途徑被消耗。因此，脂質(zhì)相關(guān)性分析證實了基于 GSEA 通路分析的結(jié)果，即洞穴魚腦中的氧化磷酸化增強(qiáng)。此外，已有研究發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)的神經(jīng)氧化磷酸化代謝與攻擊性行為呈負(fù)相關(guān)，這與我們研究的洞穴無眼金線鲃的行為特征相符。
 

洞穴魚和表層魚全腦轉(zhuǎn)錄組和脂質(zhì)組的變化

為了闡明脂質(zhì)代謝和空間脂質(zhì)分布的區(qū)域特異性差異，研究人員隨后對每個種群的全腦進(jìn)行了系統(tǒng)的橫向切片。腦切片按縱軸位置分為四個主要腦區(qū)，即端腦（Tel）、視頂蓋（TeO）、小腦體（CC）和延髓（MO）。在硬骨魚中，5-HT能神經(jīng)元主要存在于后腦中縫核和位于前腦的三個下丘腦核中。定量脂質(zhì)組學(xué)結(jié)果顯示，在所有四個腦區(qū)中，地表魚中含有ARA的膜磷脂含量相對于洞穴魚都有所降低。相比之下，其他脂質(zhì)類別表現(xiàn)出區(qū)域特異性變化，研究人員注意到，與ARA相反，洞穴魚TeO和CC中的二十二碳六烯酸（DHA）水平相較于地表魚顯著降低。
 

洞穴魚和地表魚四個腦區(qū)脂質(zhì)組的區(qū)域特異性變化

與定量脂質(zhì)組學(xué)結(jié)果一致，腦切片的空間質(zhì)譜成像(MSI)結(jié)果顯示，ARA-磷脂，如PC 36:4和PC 38:4，在來自TeO、CC和MO區(qū)域的洞穴魚切片中都有所增加。另一方面，與地表魚相比，洞穴魚的DHA-磷脂，如PC40:6、PC38:6和PE40:6含量顯著減少。DHA 可能對地表魚的小腦功能至關(guān)重要，而小腦功能在洞穴魚進(jìn)化中的重要性可能會降低。

與地表魚相比，洞穴魚的全眼和全肝樣本中ARA-磷脂優(yōu)先于DHA-磷脂的積累也得到了驗證。洞穴魚的眼睛和肝臟中的ARA-PCs相較于地表魚顯著富集，這可能會驅(qū)動洞穴魚進(jìn)化過程中視力喪失的神經(jīng)可塑性，因為視力在永久黑暗的外部環(huán)境中不再是生存所必需的，此外，眼睛退化和視力喪失也會節(jié)約能量，以最大限度地在食物匱乏的洞穴環(huán)境中生存。

研究人員還觀察到，相較于地表魚，洞穴魚肝臟中TAG顯著積累，縮醛磷脂酰膽堿 (PCp) 水平升高，這被認(rèn)為是一種“能量保險”，以緩沖洞穴中食物匱乏的情況。此外，金線鲃洞穴魚中還觀察到了脂肪肝，體內(nèi)脂肪含量升高可能使它們能夠耐受長時間的營養(yǎng)缺乏。
 

洞穴魚和表層魚全眼和全肝的脂質(zhì)組變化

硫苷脂 (SLs)與其代謝前體半乳糖基神經(jīng)酰胺 (GalCer) 一起構(gòu)成了確保髓鞘正常結(jié)構(gòu)和功能屬性的主要脂質(zhì)成分。基于先前MSI 結(jié)果顯示的地表魚與洞穴魚腦切片SLs的富集區(qū)域， 研究人員又進(jìn)行了髓鞘堿性蛋白的免疫染色和后腦CC區(qū)域的透射電子顯微鏡（TEM）圖像分析，結(jié)果表明，相對于洞穴魚，金線鲃地表魚在后腦區(qū)域的中縫 5-HT能神經(jīng)元群體髓鞘化程度更高，洞穴魚在它們的中縫5-HT能神經(jīng)元中出現(xiàn)了選擇性脫髓鞘作用，而下丘腦5-HT能神經(jīng)元沒有此現(xiàn)象。
 

洞穴魚腦中縫5-羥色胺能神經(jīng)元脫髓鞘

最后，為了闡明洞穴魚和地表魚之間差異脂質(zhì)代謝的候選基因，研究人員檢測了DHA生物合成/攝取、磷脂重塑、脂肪動員、線粒體和過氧化物酶體β-氧化途徑中基因的相對表達(dá)情況，以及大腦和肝臟中的縮醛磷脂生物合成過程。結(jié)果表明，表層魚通過 Δ4 去飽和酶途徑增強(qiáng)大腦中的 DHA 生物合成，并依賴于 Sprecher 途徑（elovl2、elovl5、acox1）來增強(qiáng)肝臟中的 DHA 生物合成。洞穴魚的脂肪肝可能是由于脂肪酰的動員和氧化減弱所致，表現(xiàn)在脂肪動員相關(guān)基因（pnpla2、lipea、lipeb、dagla 和 mgll）以及參與線粒體 β 氧化相關(guān)基因（cpt1ab、hadhaa、cpt2、decr1和acox1）的表達(dá)顯著降低。
 

大腦和肝臟中基因的 mRNA 表達(dá)水平
與洞穴魚和地表魚類對其不同棲息地的代謝適應(yīng)有關(guān)

綜上所述，該研究通過將定量脂質(zhì)組學(xué)與空間MSI相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)洞穴金線鲃的神經(jīng)脂質(zhì)代謝可塑性，尤其是增強(qiáng)氧化磷酸化、減少DHA生物合成和膜摻入、中縫5-HT能神經(jīng)元的脫髓鞘等過程可能有助于穴居行為適應(yīng)，消除洞穴魚不必要的形態(tài)和行為特征（例如高級眼部功能和社會行為的喪失），這有助于減少能量消耗，在食物供應(yīng)不規(guī)律的洞穴環(huán)境中賦予其生存選擇優(yōu)勢。
 

洞穴魚和地表魚在大腦和肝臟中
對其獨特環(huán)境進(jìn)行代謝適應(yīng)的主要途徑

文章鏈接：https://doi.org/10.1093/molbev/msac050

內(nèi)容來源：中科脂典

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