2022年3月，中科院遺傳發(fā)育所、中科院動(dòng)物研究所、中科脂典等單位的相關(guān)研究人員在生物進(jìn)化領(lǐng)域刊物《Molecular Biology and Evolution》（IF: 16.3）上發(fā)表了題為“Quantitative lipidomics and spatial MS-Imaging uncovered neurological and systemic lipid metabolic pathways underlying troglomorphic adaptations in cave-dwelling fish”的研究論文，揭示了洞穴金線鲃在其特殊生存環(huán)境下的脂類代謝適應(yīng)的主要途徑。（中科脂典技術(shù)總監(jiān)Lam Sin Man博士和中科院遺傳發(fā)育所博士生李婕為本文共同第一作者。）
研究背景
金線鲃屬（Sinocyclocheilus）是中國(guó)*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(dú)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(jué)增強(qiáng)、視力退化、色素沉著和優(yōu)勢(shì)攻擊性喪失，以及晝夜節(jié)律紊亂。由于脊椎動(dòng)物的大腦在解剖結(jié)構(gòu)和神經(jīng)調(diào)節(jié)信號(hào)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(hào)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(guò)程中出現(xiàn)不同的行為特征提供了一對(duì)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(hào)通路在系統(tǒng)發(fā)育上是保守的。異常的5-HT信號(hào)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(huì)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(dòng)態(tài)變化可能為調(diào)節(jié)5-HT信號(hào)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(gè)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(duì)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(gè)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(chǔ)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(chǔ)的 TAGs 向游離脂肪酰的動(dòng)員增強(qiáng)，同時(shí)這些脂肪酰通過(guò)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(shí)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(wú)眼金線鲃的行為特征相符。
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(duì)每個(gè)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(gè)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(gè)下丘腦核中。定量脂質(zhì)組學(xué)結(jié)果顯示，在所有四個(gè)腦區(qū)中，地表魚中含有ARA的膜磷脂含量相對(duì)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。
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(lái)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(duì)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(huì)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(yàn)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(huì)驅(qū)動(dòng)洞穴魚進(jìn)化過(guò)程中視力喪失的神經(jīng)可塑性，因?yàn)橐暳υ陂L(zhǎng)期黑暗的外部環(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(huì)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(xiǎn)”，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(zhǎng)時(shí)間的營(yíng)養(yǎng)缺乏。
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?；谙惹癕SI 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(duì)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(méi)有此現(xiàn)象。
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(cè)了DHA生物合成/攝取、磷脂重塑、脂肪動(dòng)員、線粒體和過(guò)氧化物酶體β-氧化途徑中基因的相對(duì)表達(dá)情況，以及大腦和肝臟中的縮醛磷脂生物合成過(guò)程。結(jié)果表明，表層魚通過(guò) 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(lái)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(dòng)員和氧化減弱所致，表現(xiàn)在脂肪動(dòng)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。
綜上所述，該研究通過(guò)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(guò)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(jí)眼部功能和社會(huì)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(shì)。
洞穴魚和地表魚在大腦和肝臟中
對(duì)其*環(huán)境進(jìn)行代謝適應(yīng)的主要途徑
內(nèi)容來(lái)源：中科脂典
文中采用的定量脂質(zhì)組學(xué)平臺(tái)：
SCIEX QTRAP®系統(tǒng)
SCIEX QTRAP®質(zhì)譜平臺(tái)整體優(yōu)勢(shì)
更高靈敏度的定量能力
擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)線性范圍
更快速的掃描速度和極性切換速度
內(nèi)置線性離子阱質(zhì)譜功能同時(shí)實(shí)現(xiàn)定量和定性
穩(wěn)定、可靠、耐用
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