高原洞穴鱼类响应长期饥饿的肠道代谢调控机制：以张氏金线鲃为例

《Aquaculture Reports》：Intestinal metabolic regulatory mechanisms of the plateau-endemic Sinocyclocheilus grahami in response to long-term starvation

本研究针对洞穴鱼类如何适应长期饥饿这一科学问题，系统开展了张氏金线鲃(Sinocyclocheilus grahami)肠道代谢调控机制研究。通过组织学、电镜和转录组学分析，发现该鱼通过抑制高耗能代谢途径、选择性上调谷氨酰胺代谢和蛋白质合成相关基因，并伴随独特的肠道脂质合成，形成了一种与多数脊椎动物不同的合成代谢-分解代谢并存模式，为理解动物在营养匮乏环境中的进化适应提供了新见解。

　　

在自然界中，食物短缺是动物面临的最普遍环境压力之一。对于栖息在营养有限环境中的物种而言，耐饥饿能力是衡量其适应性的关键指标，涉及从表型到基因组的多层次协调适应。洞穴生态系统通常具有有机质输入有限、光照减弱和初级生产力低下的特点，生活于此的鱼类需要应对长达数月的营养匮乏期。金线鲃属(Sinocyclocheilus)鱼类是中国西南喀斯特地区的特有类群，其至少在一个生活史阶段专门栖息于贫营养的洞穴和洞口池塘生态系统，因此成为研究食物短缺条件下代谢适应及其进化机制的新兴模型。张氏金线鲃(Sinocyclocheilus grahami)作为国家Ⅱ级保护动物，具有严格的喜洞穴习性，其分布局限于滇池及相邻的地下河流。然而，金线鲃属鱼类是否进化出特殊的耐饥饿代谢适应机制以应对营养匮乏环境，其体内是否存在特化的营养储存与动员机制，仍有待阐明。

为了揭示张氏金线鲃应对长期饥饿的独特策略，研究人员在《Aquaculture Reports》上发表了题为“Intestinal metabolic regulatory mechanisms of the plateau-endemic Sinocyclocheilus grahami in response to long-term starvation”的研究论文。该研究系统探讨了长期饥饿胁迫下张氏金线鲃的肠道形态、亚细胞结构及转录组层面的动态响应，旨在解析其调控关键营养物质（脂质、蛋白质和碳水化合物）动员与周转序列的独特转录策略。

本研究主要应用了以下关键技术方法：研究人员将张氏金线鲃幼鱼分为0（对照）、7、15、30、45和60天饥饿组，系统监测了体重、体长、肠道指数等生长性能指标；通过苏木精-伊红（H&E）染色和透射电子显微镜（TEM）观察了肠道组织形态和超微结构（如微绒毛、线粒体）的变化；并利用RNA测序（RNA-seq）技术分析了不同饥饿时间点肠道组织的基因表达谱，通过差异表达基因（DEGs）分析、时间序列聚类、KEGG通路富集及蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络构建，揭示了关键的代谢调控通路和枢纽基因。

3.1. 体重和器官大小的变化

研究结果显示，随着饥饿时间的延长，张氏金线鲃的体重损失率呈时间依赖性逐步增加。同时，肥满度（CF）和肠道体指数（ISI，反映肠道吸收能力的指标）均显著降低。尽管相对肠长呈下降趋势，但组间差异未达到统计学显著性。这表明张氏金线鲃的消化系统对饥饿高度敏感，能通过快速调整肠道代谢策略来适应营养匮乏环境。

3.2. 组织病理学分析

组织学分析表明，饥饿诱导了显著的形态学改变。长期饥饿导致肠道绒毛进行性缩短、宽度增加，同时肌肉层厚度显著减少。饥饿60天后，每个绒毛的杯状细胞数量显著增加。至饥饿30天时，肠黏膜顶端的上皮细胞出现萎缩，细胞间隙增宽，排列紊乱并有溶解迹象。在实验后期，肠道上皮进一步出现细胞边界部分丢失、结构清晰度降低等变化。这些形态重塑反映了其通过减少消化活动来降低能量消耗的能量节约适应策略。

3.3. 肠道超微结构改变

透射电镜分析显示，与对照组相比，S30和S60组的微绒毛长度显著缩短。线粒体在所有组别中均保持典型的椭圆形或伸长形态，嵴结构完整，电子致密基质未见超微结构紊乱。尽管线粒体的周长和表面积随饥饿时间延长呈显著的时间依赖性减少，形态因子（反映线粒体复杂性和分支的参数）降低，趋向球形形态，但未检测到特征性的自噬体或自溶体。这表明张氏金线鲃具有较高的能量储备，其自噬阈值较高，在饥饿期间优先利用替代代谢途径来维持亚细胞稳态。

3.4. 肠道转录组测序数据质量评估

转录组测序分析获得了高质量的数据，GC含量、Q20和Q30值均符合标准。主成分分析（PCA）显示对照组与饥饿组明显分离，而不同长时间饥饿组（S30、S45、S60）的样本聚集紧密。这表明饥饿显著改变了肠道基因表达谱，而各饥饿组之间的转录差异相对较小。

3.5. 肠道转录组差异表达基因鉴定

差异表达分析揭示了基因表达随时间变化的清晰模式。与对照组相比，随着饥饿持续时间延长，差异表达基因（DEGs）数量显著增加，表明饥饿期间发生了大量的转录重编程。比较不同短期和长期饥饿时间点，发现DEGs数量较少，表明在长期饥饿状态下基因表达趋于稳定。

3.6. 动态模式与功能注释

对15个比较组中的DEGs进行聚类分析，可将其分为6个具有独特表达动态的簇。KEGG通路富集分析显示，这些簇参与不同的功能过程。例如，簇1的DEGs主要富集于核糖体和内质网中的蛋白质加工通路；簇2的DEGs主要涉及能量代谢通路（如PPAR信号通路、固醇生物合成、TCA循环、糖酵解/糖异生），在饥饿早期（S7）显著下调；簇5的DEGs则与脂肪酸代谢、不饱和脂肪酸生物合成、PPAR信号通路等逐渐激活的脂肪酸合成和利用通路相关；簇6的DEGs主要参与免疫防御和细胞自噬过程。这表明张氏金线鲃采用了时间特异性的基因调控策略来应对饥饿。

3.7. 关键功能基因的鉴定与表征

基于PPI网络分析，鉴定了每个簇中连通性最高的前10个枢纽基因。综合PPI网络分析确定了122个核心功能基因，其中25个基因网络连通性最高。这些关键基因主要与蛋白质加工合成（如核糖体蛋白基因）、胆固醇生物合成（如SQLE）和糖酵解/糖异生（如GAPDH）相关。通过整合KEGG通路富集和PPI网络数据，构建了张氏金线鲃响应饥饿的关键代谢调控网络，精确描绘了通过关键调控基因协同作用形成的鱼类适应长期饥饿的核心代谢模块。

研究发现，张氏金线鲃在长期饥饿下表现出一种独特的系统性调控模式，这与大多数地表脊椎动物在营养应激期间通常下调基础代谢以节约能量的主流范式不同。该鱼种通过抑制高能量需求的基础通路（糖酵解/糖异生、TCA循环、胆固醇合成）来节约能量；选择性上调谷氨酰胺代谢和蛋白质合成相关关键基因以维持基础生理功能；并表现出肠道脂肪生成的上调。这种协调的代谢重编程展现了一种矛盾的合成代谢-分解代谢并存模式。尤为值得注意的是，即使在广泛的代谢抑制背景下，张氏金线鲃仍选择性激活了与蛋白质和脂质合成相关的特定通路。例如，催化谷氨酰胺向谷氨酸和天冬氨酸转化的基因（如GLS, ASNS, GOT2）上调，而参与其合成的基因下调，以减少ATP消耗。同时，蛋白质合成相关的核糖体基因和內质网相关蛋白加工基因显著上调。此外，该鱼还表现出独特的肠道脂质代谢特征：脂肪酸合成基因上调，而脂肪酸氧化基因保持非活跃状态，且未观察到明显的脂质积累，呈现一种“合成而不储存”的表型。

综上所述，本研究首次系统揭示了洞穴鱼类张氏金线鲃响应长期饥饿的独特肠道代谢适应策略。该策略涉及显著的肠道萎缩、通过抑制高成本通路实现能量节约、选择性激活谷氨酰胺代谢和蛋白质合成以维持基本功能，以及独特的肠道脂质合成模式。这种从表型到分子的多层次代谢重塑，很可能反映了其对洞穴生态系统周期性食物短缺的特化进化响应，与其栖息地的营养限制密切相关。该研究为了解动物在营养贫乏环境中的代谢适应机制提供了重要见解，特别是揭示了与多数脊椎动物不同的、合成与分解代谢并存的独特适应模式，对于理解金线鲃属鱼类在洞穴等极端贫营养环境中的物种多样性形成和生存策略具有重要科学意义。