全基因组鉴定与季节性调控：洄游鲥鱼幼鱼Hsp60基因在不同上游栖息地的表达特征与热应激响应机制

本研究针对经济鱼种鲥鱼（Tenualosa ilisha）热休克蛋白60（Hsp60）的基因组特征及温度响应行为尚未明确的科学问题，通过计算与实验相结合的方法，首次在全基因组范围内鉴定出三个Hsp60旁系同源基因（hspd1.1–hspd1.3），并系统分析了它们的理化特性、基因结构和进化关系。研究发现，在秋季高温条件下，Surma河鲥鱼幼鱼的鳃和肝脏组织中Hsp60基因表达显著上调，表明该基因在鲥鱼应对季节性热应激中发挥关键作用。该研究为理解洄游性鱼类的环境适应机制提供了分子依据，对促进鲥鱼资源保护和可持续养殖具有重要意义。

　　

在孟加拉国的河流与海洋之间，生活着一种被称为“鱼中之王”的珍贵洄游鱼类——鲥鱼（Tenualosa ilisha）。它不仅因其独特的风味和营养价值成为当地重要的经济鱼种，贡献了全国约12%的渔业产量，更因其复杂的生命周期而备受科学家关注。成年鲥鱼在海洋中生长，却要溯游到淡水河流中繁殖，幼鱼在河流中发育后再返回海洋。这一奇特的洄游习性使它们不得不面对不同栖息地间显著的环境变化，尤其是温度波动带来的挑战。然而，近年来，由于气候变化的影响，鲥鱼的产量出现了令人担忧的下滑，2023-2024年度的捕获量更是降至七年来的最低点。这警示我们，迫切需要深入了解这一物种如何应对环境压力，特别是热应激的分子机制。

热休克蛋白（Heat shock proteins, HSPs）是生物体在应激条件下产生的一类高度保守的分子伴侣，其中Hsp60主要定位于线粒体，在蛋白质折叠和维持线粒体功能中起着至关重要的作用。尽管Hsp60在其他鱼类中已有研究，但在具有重要生态和经济价值的鲥鱼中，其基因组特征和温度响应行为却尚未被揭示。由于鲥鱼的全基因组直到2019年才被测定，关于其Hsp60基因的信息在NCBI等主要生物技术数据库中仍然匮乏，这严重限制了我们对其环境适应能力的理解。

为了填补这一空白，来自Sylhet农业大学动物与鱼类生物技术系的研究团队在《Journal of Genetic Engineering and Biotechnology》上发表了一项开创性的研究。他们采用计算生物学与实验验证相结合的策略，首次对鲥鱼Hsp60基因进行了全基因组范围的鉴定与季节性表达调控分析。

研究人员首先利用生物信息学方法，以三刺鱼（Gasterosteus aculeatus）的Hsp60序列为查询，在鲥鱼全基因组中鉴定出三个Hsp60旁系同源基因，并将其命名为hspd1.1、hspd1.2和hspd1.3。通过ProtParam、DeepLoc1.0、SignalP 5.0等工具分析了这些基因的理化特性、亚细胞定位和信号肽特征；使用MEME Suite进行保守基序分析；通过Clustal Omega进行多序列比对；利用MEGA X构建系统发育树；采用SWISS-MODEL进行蛋白质三级结构预测；并通过InterProScan和g:Profiler进行基因本体（GO）富集分析。实验方面，研究团队于2024年2月（冬季）从Chandpur地区的Meghna河和9月（秋季）从Sylhet地区的Surma河采集了鲥鱼幼鱼样本，测量其形态特征后，取鳃、肾脏、肝脏和骨骼肌组织，使用RNAsimple总RNA提取试剂盒提取RNA，经质量检测后反转录为cDNA，采用SYBR Green荧光定量PCR技术，以ef1α为内参基因，通过2^-ΔΔCt方法计算Hsp60基因的相对表达量。

研究结果揭示了鲥鱼Hsp60基因的多方面特征。基因组鉴定显示，三个Hsp60旁系同源基因位于不同的基因组contig上，与查询序列的相似性高达81.20-83.15%，E值极低（7e^-49至9e^-38），表明匹配高度显著。

理化性质分析表明，hspd1.1和hspd1.2的基因长度（6370bp和6365bp）、CDS长度（1743bp）和蛋白长度（584aa和580aa）相近，而hspd1.3较小（基因长度3631bp，CDS长度1719bp，蛋白571aa）。所有蛋白的等电点（pI≈5.4）表明其为酸性蛋白，GRAVY值为负（-0.07至-0.085）提示亲水性，均预测定位于线粒体。它们含有4个半胱氨酸残基但无二硫键，无信号肽，表明可能通过非经典途径分泌。

基因结构、功能域和基序分析发现，hspd1.1和hspd1.2含有11个外显子，而hspd1.3和查询序列含有10个外显子，表明hspd1.3在结构上更接近祖先状态。所有蛋白均含有分子伴侣GroEL超家族功能域，具有相同的10个保守基序，表明功能相似性。

多序列比对和系统发育分析显示，鲥鱼Hsp60与比较物种的序列高度保守，N端比C端更为保守。系统发育树将hspd1.1和hspd1.2聚为一支，hspd1.3与大西洋鲱、美洲西鲱和阿利西鲱等洄游鱼类聚为另一支，支持基因复制后的功能分化。

蛋白质结构建模显示，所有Hsp60蛋白含有53-56%的α螺旋、7-9%的β转角、23-26%的无规卷曲和11%的延伸链。三级结构模型GMQE得分高（0.82-0.87），Ramachandran图显示93%的残基处于优势区域，表明模型质量可靠。与查询序列的叠加显示RMSD为0，TM得分为1，表明结构高度一致。

GO富集分析发现三个旁系同源基因共享16个相同的GO术语，显著富集于蛋白质折叠、肽酰脯氨酰异构化、线粒体组织等生物过程，以及分子伴侣活性、FAD结合、ATP酶调节活性等分子功能，主要定位在线粒体内膜和蛋白质复合物中。

最重要的发现来自季节性表达分析。在秋季Surma河（较高温度）采集的样本中，所有三个Hsp60旁系同源基因在鳃和肝脏组织中均显著上调：hspd1.1在鳃和肝脏中分别上调约15倍和12倍；hspd1.2在这两个组织中均上调约7倍；hspd1.3在鳃中上调约12倍。肌肉组织中的上调较为温和（3.7-4.6倍），肾脏中的上调最弱（1.6-2.6倍）。这表明在温度较高的秋季，鲥鱼幼鱼通过上调Hsp60表达来应对热应激，且这种响应具有组织特异性，鳃和肝脏最为敏感。

研究结论表明，鲥鱼基因组中含有三个Hsp60旁系同源基因，它们在序列和结构上高度保守，但在基因结构和表达模式上存在差异，可能反映了基因复制后的功能分化。这些基因在温暖季节的显著上调表达，特别是在鳃和肝脏组织中，强烈表明Hsp60在鲥鱼热应激响应中扮演关键角色。这一发现不仅为理解洄游性鱼类的环境适应机制提供了分子层面的见解，也为开发鲥鱼保护策略和改善养殖实践提供了科学依据。随着气候变化导致的温度波动日益频繁，深入了解鲥鱼等经济鱼类的应激响应机制对于确保渔业资源的可持续利用具有重要意义。