维生素D调控大西洋鲑鱼四种主要肌肉组织基因表达的模式与进化保守性研究

《Scientific Reports》：Vitamin D modulates gene expression in four major muscle tissues in Atlantic salmon

本研究通过维生素D生物强化实验，揭示了大西洋鲑鱼四种肌肉组织（骨骼肌、颅面肌、平滑肌和心肌）对维生素D补充的差异化基因表达响应。特别发现心脏组织对维生素D响应最为显著，涉及770个差异表达基因，主要富集于线粒体和核糖体通路。研究鉴定出5个多组织共表达基因和42对同向表达基因重复体，并发现12个维生素D响应基因在哺乳动物中具有保守性，为理解维生素D对脊椎动物肌肉组织的调控机制提供了新视角。

　　

在人类健康领域，维生素D长期以来被公认为骨骼健康的关键调节因子，但近年研究发现其作用远不止于此。维生素D缺乏与心血管疾病、癌症、COVID-19、免疫功能障碍、龋齿和消化系统紊乱等多种健康问题密切相关。尤其值得注意的是，维生素D在肌肉组织中的功能正日益受到科学界关注。然而，现有研究多集中于维生素D对骨骼肌质量和强度的整体影响，对于不同肌肉组织类型（如心肌和平滑肌）如何响应维生素D变化，以及维生素D如何调控特定肌肉功能基因的表达，仍存在显著的知识空白。

由于侵入性取样限制，在人类研究中同时检测多种肌肉组织具有较大挑战性，这促使研究人员寻找合适的动物模型。大西洋鲑鱼（Salmo salar）因其维生素D代谢特性成为理想的研究对象。与人类不同，鲑鱼被认为完全依赖膳食获取维生素D，这使得它们对维生素D摄入量的变化特别敏感。此外，鲑鱼肌肉中维生素D₃含量变化显著，且受地理环境和养殖方式影响，这为研究维生素D生物强化提供了独特机会。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，Courtney E. Gorman等研究人员开展了一项创新性实验，通过膳食调控探究维生素D对大西洋鲑鱼四种肌肉组织基因表达的影响。研究团队设计了三种维生素D水平的饲料：对照组（0μg/kg）、中等剂量组（100μg/kg）和高剂量组（1000μg/kg），对爱尔兰和挪威两种品系的鲑鱼进行为期6个月的饲养实验。随后，他们采集了四种肌肉组织：普通鱼片（轴向骨骼肌）、下颌收肌（颅面骨骼肌）、胃（平滑肌）和心脏（心肌），利用RNA测序技术分析基因表达变化。

研究采用的主要技术方法包括：维生素D定量分析（使用液相色谱-三重四极杆质谱法）、鱼体条件因子测定、RNA提取与测序（Illumina NovaSeq X Plus平台）、差异表达分析（DESeq2软件）、基因本体富集分析和KEGG通路分析。实验样本来自两种鲑鱼品系，每种维生素D处理组各取3个个体，共分析72个肌肉组织样本。

维生素D含量与鱼体条件

研究发现饲料中的维生素D₃含量分别为：对照组729 ng/g、中等组866 ng/g、高剂量组1779 ng/g。在鲑鱼鱼片中，维生素D₃含量呈现明显的剂量依赖性增加：对照组24-86 ng/g，中等组32-110 ng/g，高剂量组55-227 ng/g。统计分析表明，高剂量组的维生素D₃含量显著高于其他两组。

同时，维生素D补充显著改善了鲑鱼的体质状况。高剂量组的富尔顿条件评分显著高于对照组和中等剂量组，表明维生素D强化不仅增加了肌肉中的维生素D积累，还对鱼体整体健康产生了积极影响。

维生素D对四种肌肉类型基因表达的影响

基因表达分析揭示了四种肌肉组织对维生素D补充的差异化响应。在普通鱼片（轴向骨骼肌）中，高剂量维生素D使6个基因显著上调表达，其中EX001874和EX004487的表达量增加了约16倍。在下颌收肌（颅面骨骼肌）中，13个基因呈现差异表达，其中4个上调、9个下调。胃（平滑肌）中对维生素D响应的基因较少，仅有4个差异表达基因。

最为惊人的发现出现在心脏组织中，高剂量维生素D处理导致了770个基因的显著差异表达，其中347个上调、423个下调。这一数量远远超过其他肌肉组织，表明心脏对维生素D变化特别敏感。最显著上调的基因frrs1（推测的铁螯合还原酶1）表达量增加了274倍，该基因在鱼片中也呈现上调表达。

GO和KEGG富集分析

针对心脏组织中大量差异表达基因，研究人员进行了基因本体富集分析，发现37个GO类别显著富集，包括19个生物过程、16个细胞组分和2个分子功能。具有最高基因数的GO类别是"线粒体"，表明维生素D对心脏能量代谢有重要影响。

KEGG通路分析识别出7个显著富集的代谢通路，其中"核糖体"和"碳代谢"通路包含的基因数量最多。这些发现提示维生素D补充可能通过影响蛋白质合成和能量代谢通路来调节心脏功能。

多组织共表达基因

研究发现5个基因在多个肌肉组织中均呈现差异表达，表现出多效性。这些基因在不同组织中对维生素D的响应方向一致，要么在对照组中表达最低、高剂量组中表达最高，要么呈现相反模式。例如，frrs1基因在对照组和中等剂量组中几乎不表达，而在高剂量维生素D处理下表达显著增加。

重复基因表达

研究还考察了鲑鱼特有的基因组复制事件对基因表达的影响。共发现41对重复基因和1个三重基因（对应85个独特的Ensembl ID和42个基因）呈现差异表达。有趣的是，所有重复基因对均以相同方向响应维生素D变化，即两个副本要么同时上调，要么同时下调，未发现方向相反的情况。

与哺乳动物的基因同源性

通过NCBI基因和BLAST搜索，研究人员成功注释了216个原本在Ensembl中未命名的基因。进一步分析发现，12个在鲑鱼中受维生素D影响的基因，在人类和其他哺乳动物的肌肉组织中也已知受维生素D水平调控。这些基因包括Sod1（超氧化物歧化酶1）、Opa1（线粒体动力蛋白样GTP酶）、Fbxo32（F-box蛋白32）等，表明维生素D对肌肉基因表达的调控在脊椎动物中具有进化保守性。

研究结论与意义

本研究系统揭示了维生素D补充对大西洋鲑鱼多种肌肉组织基因表达的深远影响，特别是对心脏组织的显著作用。维生素D生物强化不仅提高了鲑鱼肌肉中的维生素D含量，改善了鱼体条件，还通过调控多个进化保守基因的表达影响了肌肉功能。

研究发现心脏组织对维生素D的响应远比其他肌肉组织强烈，这可能与心脏的高代谢需求和维生素D在钙调节中的作用有关。GO和KEGG分析表明，维生素D主要影响线粒体功能和蛋白质合成通路，这与维生素D已知的抗氧化和能量代谢调节功能一致。

多组织共表达基因的发现揭示了维生素D在多组织中的协同作用机制，而重复基因的一致性表达模式则表明，在重要的内分泌通路（如维生素D信号通路）中，保留的重复基因可能在响应必需营养素变化时保持保守的调控方式。

特别值得注意的是，研究鉴定的多个维生素D响应基因在哺乳动物中具有保守性，这增强了将鲑鱼作为模型研究维生素D对脊椎动物肌肉组织影响的信心。随着维生素D强化食品的普及，了解维生素D补充对动物健康的影响变得愈发重要。本研究为评估维生素D生物强化对鲑鱼及其他动物的健康影响提供了重要依据，同时为理解维生素D在人类肌肉健康中的作用提供了进化视角。

这项研究不仅深化了我们对维生素D生物学功能的理解，也为开发更有效的营养策略改善水产养殖动物健康和人类营养提供了科学基础。鲑鱼作为模型生物，未来可用于研究维生素D对心脏等器官功能的长期影响，以及不同年龄、地理来源和养殖方式下维生素D作用的差异，具有重要的理论和应用价值。