PNAS | 代謝組+轉(zhuǎn)錄組揭示生物脫水脅迫耐受性的關(guān)鍵分子機(jī)制

發(fā)稿時(shí)間：2020-09-03來(lái)源：天昊生物

題目：Combined metabolome and transcriptome analysis reveals key components of complete desiccation tolerance in an anhydrobiotic insect

代謝組和轉(zhuǎn)錄組聯(lián)合分析揭示脫水的昆蟲完全脫水耐受性的關(guān)鍵組分

發(fā)表期刊：Proc Natl Acad Sci U S A. 

發(fā)表時(shí)間：2020-8-11  

影響因子：9.412

一些生物已經(jīng)進(jìn)化出一種能夠抵抗嚴(yán)重脫水的生存技巧。搖蚊幼蟲是昆蟲中唯一觀察到有低濕隱生（anhydrobiosis）現(xiàn)象的物種。最近的研究使人們對(duì)低濕隱生和特定保護(hù)蛋白作用的分子機(jī)制有了更好的理解。然而，基因調(diào)控本身并不能解釋快速的生化反應(yīng)和獨(dú)立的代謝變化，而這些反應(yīng)和變化有望維持低濕隱生。為此，本研究對(duì)搖蚊幼蟲進(jìn)行了代謝組和轉(zhuǎn)錄組的全面比較分析。結(jié)果表明脫水的幼蟲采用了獨(dú)特的代謝策略來(lái)應(yīng)對(duì)完全脫水情況以及在復(fù)水后的恢復(fù)。研究者認(rèn)為海藻糖（trehalose），以前以其脫水保護(hù)特性而聞名，由于它在復(fù)水的早期恢復(fù)階段，通過戊糖磷酸途徑提供了能量的主要來(lái)源和抗氧化能力，而發(fā)揮了額外的重要作用。因此，幼蟲的生存能力可能直接取決于碳水化合物(糖原和海藻糖)的總量。此外，在低濕隱生的脫水狀態(tài)下，能量以檸檬酸鹽和腺苷磷酸的形式儲(chǔ)存累積，使得在復(fù)水之后，糖酵解完全發(fā)揮作用之前，檸檬酸循環(huán)和線粒體活性迅速重新激活。對(duì)脫水的其他適應(yīng)機(jī)制還包括潛在的抗氧化劑和通過將有毒代謝物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定和惰性的物質(zhì)(如黃嘌呤酸和尿囊素)來(lái)避免其積累的措施。最后，本研究證實(shí)了這些代謝適應(yīng)與相應(yīng)酶基因的獨(dú)特組織和表達(dá)相關(guān)。

用于代謝組分析的幼蟲根據(jù)在干燥器中處理的時(shí)間(h) (D48: 48-h干燥處理)或復(fù)水的時(shí)間(R3: 3-h復(fù)水處理)進(jìn)行取樣；未處理的濕幼蟲用作對(duì)照(D0)。每次處理使用50只幼蟲。代謝組分析用三個(gè)生物重復(fù)進(jìn)行。對(duì)幼蟲進(jìn)行代謝物的、測(cè)量后，進(jìn)行主成分分析。使用ANOVA方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以確定至少在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)發(fā)生顯著變化的代謝物。對(duì)于時(shí)間點(diǎn)之間的成對(duì)比較，應(yīng)用了Fischer檢驗(yàn)。為了重建代謝途徑和與轉(zhuǎn)錄組學(xué)數(shù)據(jù)整合，研究者使用了KEGG通路數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)雙翅目現(xiàn)有物種進(jìn)行了分析。轉(zhuǎn)錄組分析取了表征脫水-復(fù)水過程的五個(gè)代表性時(shí)間點(diǎn)((D0、D24、D48、R3和R24)(重復(fù)三次)制備幼蟲樣品，之后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)錄組檢測(cè)。

后續(xù)還進(jìn)行了海藻糖定量、糖原定量、海藻糖酶抑制劑處理幼蟲等實(shí)驗(yàn)。

代謝圖譜檢測(cè)到266種代謝物(124種陽(yáng)離子模式的代謝物和142種陰離子模式的代謝物)，涉及三種測(cè)試的生理狀態(tài)：未處理(D0)、脫水48 h(D48)和復(fù)水3 h(R3)。

主成分分析顯示，前兩個(gè)主成分占總差異的77%。PC1占43.9%，而PC2占33.1%(圖1A)。PC1值高的代謝物在脫水中至少一個(gè)階段顯示濃度顯著增加(圖1B)。

搖蚊幼蟲的代謝圖譜揭示了各種碳水化合物中間體水平發(fā)生顯著擾動(dòng)(圖2)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明幼蟲中存在的大多數(shù)糖原在脫水過程中被降解產(chǎn)生海藻糖(圖3 A，左)。當(dāng)幼蟲經(jīng)歷連續(xù)的脫水和復(fù)水循環(huán)，而在復(fù)水階段沒有進(jìn)食時(shí)，這種現(xiàn)象更明顯(圖3B)。最終發(fā)現(xiàn)海藻糖在脫水及復(fù)水中的作用：快速恢復(fù)新陳代謝的最佳能量來(lái)源。

幼蟲脫水過程最明顯的特征之一是脫水過程中腺苷酸和5’-二磷酸腺苷(ADP)的積累(圖5A)，干燥狀態(tài)下的腺苷酸能荷比降至僅0.6(圖5B)，這是一個(gè)通常在壓力條件下觀察到的值。值得注意的是，正常的呼吸和線粒體活性，如高AEC比率所表明的，一直持續(xù)到脫水的最后幾個(gè)小時(shí)，并在再水合的第一個(gè)小時(shí)內(nèi)迅速恢復(fù)(圖5B)。

相關(guān)氨基酸降解產(chǎn)物水平的變化暗示了無(wú)毒代謝物和抗氧化劑的積累。例如尿酸、尿囊素和尿囊酸，都是在脫水期間豐度增加最多的中間產(chǎn)物(圖6A)，在轉(zhuǎn)錄組檢測(cè)中，尿酸酶編碼基因在脫水24小時(shí)后顯著上調(diào)(圖6A)。谷胱甘肽合成的主要中間體γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-Glu-Cys)的含量在脫水幼蟲的復(fù)水過程中明顯高于對(duì)照幼蟲(圖6B)。在脫水過程中，KYN水平顯著增加了約26倍(圖6C)。

在脫水和復(fù)水過程中，搖蚊幼蟲的代謝及轉(zhuǎn)錄變化主要為：1)海藻糖是該過程能量來(lái)源，氧化還原能力支持復(fù)水幼蟲的恢復(fù)；2)積累的檸檬酸鹽和AMP有利于早期復(fù)水過程中能量代謝的恢復(fù)；3)積累的OA、XA、尿囊素和多胺可作為抗氧化劑或無(wú)毒替代物。這些假設(shè)為進(jìn)一步研究低濕隱生的機(jī)制以及脫水工程和干燥貯藏應(yīng)用提供了新的途徑。

天昊生物具有豐富的代謝組和轉(zhuǎn)錄組檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，我們致力于為研究者提供“一站式”高質(zhì)量的科研策略咨詢、實(shí)驗(yàn)技術(shù)服務(wù)和遺傳數(shù)據(jù)分析服務(wù)，期待成為大家科研工作中的“昊”助手與“昊”伙伴。歡迎聯(lián)系我們具體咨詢！

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