波罗的海比目鱼器官中防晒分子类菌孢素氨基酸的靶向与非靶向代谢组学解析

《Frontiers in Marine Science》：Photoprotective mycosporine-like amino acids in different organs of Baltic flatfish species revealed by targeted and untargeted metabolomics analyses

本研究通过靶向与非靶向代谢组学技术，首次系统揭示了波罗的海三种比目鱼（欧洲鲽、欧洲鳎与大菱鲆）不同器官中类菌孢素氨基酸（MAAs）的分布特征，证实了该类紫外防晒化合物（具高摩尔消光系数与光热稳定性）通过食物链的传递机制，为海洋鱼类应对紫外线辐射（UVR）的适应性策略提供了新证据。

　　

引言

沿海海洋生物常暴露于具有生物危害性的紫外线辐射（UVR）下，这是到达地球表面的太阳光中光化学反应最活跃的波段。众所周知，像鱼类这样的高营养级海洋生物通过从饮食中积累紫外线防护代谢物来增强其紫外线防护能力，因为初级生产者能有效合成这些化合物。类菌孢素氨基酸（MAAs）是海洋生物中研究最深入的自然紫外线防晒剂之一，以其在UVR区域的高摩尔消光系数以及显著的光稳定性和热稳定性而闻名。本研究采用先进的分析方法，调查了波罗的海三种比目鱼器官（眼、鳃、心脏、肠、肾、肝、皮肤和胃）中MAAs的定性和定量分布。

材料与方法

本研究使用了三种具有商业价值的比目鱼成体：欧洲鲽（Platichthys flesus）、欧洲鳎（Pleuronectes platessa）和大菱鲆（Scophthalmus maximus），所有样本均于2023年10月在波罗的海西部通过底拖网捕获。新鲜捕获的鱼（每种10个样本）经击晕和处死后，立即解剖获取上述器官。器官样本经冷冻干燥后，用甲醇进行提取。MAAs的定量分析采用经过验证的高效液相色谱-紫外（HPLC-UV）方法。此外，还通过超高效液相色谱-电喷雾电离-高分辨质谱/质谱（UHPLC-ESI-HRMS/MS）进行非靶向代谢组学分析，并利用基于特征的分子网络（FBMN）对代谢物谱进行可视化和评估。同时，根据Mansur方程计算了鱼眼提取物的太阳防护因子（SPF）。

结果

在分析的器官样本中，大多数含有足够浓度的MAAs，包括palythine、asterina-330、porphyra-334、usujirene和palythene，可通过HPLC-UV方法进行可靠检测和定量。此外，在少数样本中还发现了shinorine和mycosporine-methylamine-threonine。三种鱼眼部的MAA含量最高（干重0.04至0.25 mg g^-1），而其他器官的含量则低得多但仍可检测到。欧洲鲽眼部的平均总MAA浓度约为0.15 mg g^-1 DW，欧洲鳎约为0.05 mg g^-1 DW，大菱鲆约为0.10 mg g^-1 DW。在鲽鱼样本中，palythine是所有器官中最丰富的MAA。除了在鱼眼中积累外，在所检查的三种鱼类的器官中未观察到特定的MAA分布模式。

非靶向代谢组学分析揭示了鱼器官提取物中更复杂的化学空间。分子网络分析确认了已知MAAs的存在，并发现了三个未知特征（m/z 301.1387–301.1392），其碎裂行为与MAAs相似，可能代表新的或结构相关的MAA类似物，这些未知结构主要存在于眼提取物中，表明眼部是MAA多样性的热点区域。

SPF值的测定显示，鱼眼提取物的紫外线防护能力与总MAA含量呈正相关趋势。鲽鱼眼提取物的SPF值显著高于鳎鱼和大菱鲆。结合所有物种的数据，MAA含量与SPF值之间存在适度但统计学上显著的正相关（r = 0.28, p = 0.03）。个体鱼左右眼MAA含量的差异也反映在相应的SPF值变化上，进一步支持了MAA浓度与紫外线防护能力之间的关系。

讨论

HPLC-UV分析结果表明存在八种MAAs，这些化合物在藻类中有充分记载，支持其膳食来源。在所有三种比目鱼中，palythine是眼中的主要MAA，其次是palythene、usujirene和asterina-330。眼部的浓度显著高于所有其他检查的器官。本研究首次报告了MAAs存在于波罗的海三种鱼类的皮肤以及几个内部器官中，尽管含量较低且变异性较大。

分子网络分析为MAA相关的化学空间提供了更深入的见解。已知的MAAs与加合物或衍生物形成了小的簇。值得注意的是，三个未知特征与usujirene/palythene聚集在一起，并显示出典型的MAA碎裂特征，表明结构相似性。它们可能代表羟基化衍生物或其他生物合成/结构相关的MAAs。

SPF值与总MAA含量之间的正相关关系，以及左右眼之间的差异，都指向MAAs作为鱼类眼中天然光保护化合物的功能意义。然而，与总体趋势的一些偏差表明，其他成分或结构因素也可能影响光保护水平。

本研究结果支持了MAAs通过食物网从初级生产者到鱼类的营养传递假设。数据显示，MAAs可以从饮食中被吸收到鱼体内，而不会在消化过程中被降解。这表明消化道中可能存在特定的载体，能够实现MAAs跨膜选择性转运进入血液系统，然后通过不同器官定向运输到眼部。或者，MAAs与血液中某些受体的结合在眼睛等器官中可能特别强，因为这些受体在场且保留MAAs显然最有益。然而，其背后的生化和分子机制仍有待阐明。

从化学角度来看，MAAs具有共轭双键，导致在UVR波段具有极高的摩尔消光系数和显著的光稳定性，因此是理想的紫外线防晒化合物。鱼类眼中高含量的MAAs表明其具有光保护作用，尽管实验证据仍然缺乏。对海洋无脊椎动物和初级生产者的众多研究明确证明了MAAs的紫外线防护作用。普遍情况是，UVR刺激初级生产者中MAAs的生物合成和积累，或消费者对富含MAAs食物的摄取。生物体中MAA水平越高，在UVR暴露下生理和生化过程得到的保护就越好。

总之，这项研究通过先进的代谢组学方法，详细描绘了波罗的海比目鱼器官中MAAs的分布图谱，不仅证实了眼部作为主要积累部位，还揭示了其在内脏器官中的存在，为理解海洋鱼类应对紫外线胁迫的适应性策略提供了新的层面，并暗示了潜在的、未知的MAA类化合物及其在眼部光保护中的具体作用机制，为未来功能应用和研究指明了方向。