近日，中國科學院深海科學與工程研究所和水生生物研究所何舜平團隊，在《Water Biology and Security》期刊上發(fā)表了一項研究成果《Lipidome and proteome analyses provide insights into Mariana Trench Snailfish (Pseudoliparis swirei) adaptation to the hadal zone》，詳細揭示了馬里亞納海溝獅子魚（Pseudoliparis swirei）如何通過調節(jié)脂質和蛋白質的代謝機制，成功適應全球最深的海洋環(huán)境。首次通過對脂質組和蛋白質組的聯合分析，研究團隊揭示了該魚類如何在極端的高壓、低溫和食物匱乏環(huán)境中生存的關鍵分子機制。

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生物的生存構成巨大挑戰(zhàn)。水深每下降10米，水壓便增加0.1兆帕（MPa），對大多數生物的細胞過程如分裂、代謝等造成了極大干擾。此前，該團隊已經在基因組和轉錄組水平上對深淵獅子魚的適應性機制進行了詳細的探討，但在脂質代謝組和蛋白質組水平上目前還未有相關研究。

能量儲存與利用機制的突破

深海魚類普遍具有較大的肝臟組織，尤其是深淵獅子魚膨大的肝臟特別引人注目。該研究中，科研團隊對捕獲于馬里亞納海溝不同深度（2,027至7,125米）的五種深海魚類（包括Bathysaurus mollis、Coryphaenoides rudis、Ilyophis sp.、I. brunneus以及馬里亞納海溝獅子魚（MHS）的肝臟組織脂質代謝組和蛋白質組進行了深入的分析，揭示了深淵獅子魚獨特的生存策略。研究檢測了8個大類，36個亞類的脂質分布，結果表明MHS與其他四種深海魚類的總脂質水平相當，三酰基甘油（TG）作為主要的能量儲備，在深海魚類脂質組中均占據主導地位。此外，自由脂肪酸（FFA）、膽固醇及其酯類（CE，膽固醇）、磷脂和二酰基甘油（DG）也是深海魚類肝臟中主要的脂質成分。磷脂和甾醇是膜結構的重要組成部分，而自由脂肪酸對于深海魚類的細胞調節(jié)至關重要。研究發(fā)現，馬里亞納獅子魚通過顯著增加肝臟中的膽固醇酯（CE）、醚鍵三酰基甘油（TG-O）、輔酶Q（CoQ）和ATP酶含量，幫助其在食物匱乏的條件下儲存和有效利用能量。這種機制極大地延長了獅子魚在深海環(huán)境中的生存能力，尤其是在長時間禁食的情況下，這些分子儲備可被分解用于提供能量。

維持高壓下細胞膜的流動性

此外，與其他深海魚類相比，深淵獅子魚表現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，進一步的脂質鏈長度分析表明，深海魚類肝臟中某些脂質的脂肪酸鏈長度趨向于更長。在高壓環(huán)境下，保持膜流動性對于深海生物的生存至關重要，膜的剛性主要通過膽固醇和磷脂酰乙醇胺（PE）調控，另外PE與磷脂酰膽堿（PC）的比值，也可以指示出膜的流動性。該研究發(fā)現，在五種深海魚類的肝臟組織中，MHS肝臟中的膽固醇和PE含量占總脂質的比率顯著降低，且深淵獅子魚肝臟中PE與PC比值顯著降低。表明MHS優(yōu)化了脂質比例，以在極端高壓下維持高膜流動性，保障細胞功能和生存。

應對氧化應激的強大防御機制

深海環(huán)境中的食物匱乏和高壓條件會增加細胞內自由基的產生及氧化應激風險，研究發(fā)現，馬里亞納獅子魚可以通過一系列抗氧化機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，這加劇了細胞的脆弱性，導致細胞損傷和死亡。研究表明，深淵獅子魚類通過增加單不飽和脂肪酸含量同時減少多不飽和脂肪酸含量，并降低磷脂酰乙醇胺（PE）等容易氧化的脂質比例，有效降低了脂質過氧化的風險。此外，獅子魚肝臟中轉鐵蛋白（Transferrin）和熱休克蛋白（HSPs）的顯著高表達，進一步增強了其對抗氧化應激的能力。轉鐵蛋白能夠有效調節(jié)體內的鐵平衡，防止自由鐵引發(fā)的氧化應激，而熱休克蛋白則在極端壓力下幫助蛋白質折疊和修復，是細胞生存的關鍵。

深海適應的分子機制揭示更多適應性進化

本次研究不僅揭示了獅子魚在深海環(huán)境中的適應機制，還為深海魚類在營養(yǎng)匱乏和極端環(huán)境中如何通過代謝調節(jié)來應對挑戰(zhàn)提供了重要線索。研究顯示，馬里亞納獅子魚的脂質代謝路徑與膽固醇代謝、脂肪消化吸收、膜流動性調節(jié)等密切相關，尤其是通過調節(jié)膽固醇和磷脂的含量，使其在高壓環(huán)境下能夠保持細胞膜的流動性。此外，研究團隊還發(fā)現，該魚類的胰島素抵抗途徑在深海適應中發(fā)揮了重要作用，可能通過促進脂肪生成來應對長期的營養(yǎng)匱乏。這一發(fā)現進一步揭示了深海魚類如何在長期的生存壓力下進行能量保留與代謝調節(jié)。

圖1. 五種深海魚類的采樣地點

圖2. MHS肝臟組織的脂質組和蛋白質組分析揭示適應機制

圖3. MHS與其他四種深海魚類間具有顯著差異的脂質代謝物

圖4. MHS與其他四種深海魚類脂質代謝差異的KEGG富集分析

未來展望：為深海生物適應性研究開辟新方向

該項研究的結果為深海生物對深淵環(huán)境的適應機制研究提供新的視角。研究團隊指出，未來將通過進一步探測更多深海魚類的脂質組和蛋白質組，深入研究不同深度環(huán)境中的生物適應性。

該研究由中國科學院戰(zhàn)略性優(yōu)先研究計劃和國家自然科學基金支持，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