血浆蛋白质组学分析揭示了光合共生巨型蛤蜊Tridacna crocea在热应激和白化过程中的分子特征

《Frontiers in Ecology and Evolution》：Plasma proteomic profiling reveals molecular signatures of thermal stress and bleaching in the photosymbiotic giant clam Tridacna crocea

非致命血浆采样结合iTRAQ蛋白质组学和转录组学分析揭示了大堡礁巨型蛤Tridacna crocea在热应激下的分子响应机制。554个血浆蛋白显著差异表达，富集于免疫应答、补体系统及分泌蛋白相关通路，其中C1q和lectin家族成员的表达变化与共生体失衡及免疫激活密切相关。多组织转录组数据与血浆蛋白谱的整合分析表明，热应激诱导的宿主-共生体相互作用重构涉及分泌蛋白的系统性调控，并发现HSP70、SOD等与珊瑚共有的应激响应蛋白。该研究建立了基于血浆蛋白的监测框架，为珊瑚礁生态系统在气候变化下的健康评估提供新工具。

　　珊瑚礁生态系统正面临着气候变化引发的热应激的严重威胁，这种压力导致了大规模的白化现象。作为珊瑚礁中重要的光合共生生物，巨型蛤（*Tridacna* spp.）与外部的甲藻共生体（Symbiodiniaceae）形成共生关系，不仅为礁体结构的形成做出贡献，还参与了营养循环等关键生态过程。然而，目前对于巨型蛤如何应对热应激的分子机制仍知之甚少。本研究通过非致命性的血浆采样技术，结合定量蛋白质组学和整合转录组分析，深入探讨了巨型蛤在受控热应激条件下的蛋白质组特征，并揭示了其在维持共生关系与免疫防御之间的转变过程。

研究发现，554种宿主血浆蛋白在热应激条件下发生了显著的表达变化，这些蛋白在免疫反应、凝集素介导的识别以及补体系统成分中表现出显著富集。通过整合分析五个主要组织的转录组数据，研究进一步明确了不同组织中蛋白的表达模式，并强调了分泌蛋白在宿主与共生体相互作用中的作用。在热应激条件下，一些关键的生物标志物，如C1q结构域蛋白和凝集素家族成员，表现出一致的失调，这表明宿主在热应激下可能从维持共生关系转向免疫防御。

在珊瑚中，热应激通常会导致共生体的释放，进而引发白化现象，这种现象常常伴随着大规模死亡。同样，巨型蛤在高温条件下也会失去其共生的甲藻，导致外套膜变白、光合作用能力下降、生理功能受损，最终可能导致死亡。这些生物反应在分子层面尤为显著，例如，活性氧（ROS）的积累会引发氧化应激，从而触发一系列基因反应，包括热休克蛋白（HSP）家族成员如HSP70和HSP90，这些蛋白作为热应激的早期响应者，在珊瑚中发挥重要作用。此外，核因子κB（NF-κB）等关键转录因子在热应激下也会被上调。研究还发现，补体成分C3样蛋白（C3-Am）在物理损伤后被激活，而与钙信号相关的基因则在热应激条件下表现出差异表达。

为了更全面地理解巨型蛤的热应激反应，研究者们通过非致命性的血浆采样技术，获得了血浆蛋白样本，并利用iTRAQ技术进行定量蛋白质组学分析。这一技术能够对不同样本中的蛋白质进行精确的定量比较，从而揭示宿主在热应激下的蛋白质表达变化。同时，研究者还结合了转录组分析，从五个主要组织中获取了基因表达数据，进一步评估了热应激对宿主和共生体之间相互作用的影响。通过这种多维度的分析方法，研究不仅揭示了巨型蛤在热应激下的分子反应，还为评估其健康状况提供了新的视角。

实验过程中，研究人员首先对巨型蛤进行了热应激处理，按照既定的实验设计，将实验对象分为对照组和热应激组。对照组维持在28°C，而热应激组则被逐渐升温至31–32°C，以避免热休克对实验对象造成额外的伤害。在热应激处理结束后，研究人员从不同组织中采集了样本，并进行了转录组测序，同时通过非致命性的方法获取了血浆蛋白样本。这些样本在随后的蛋白质组学分析中被用于识别潜在的热应激和白化反应的分子标志物。

在蛋白质组学分析中，研究人员发现，554种蛋白质在热应激条件下发生了显著的表达变化，其中大部分属于免疫反应相关的蛋白。这些蛋白在不同组织中的表达模式显示，某些蛋白质如凝集素家族成员和C1q结构域蛋白在热应激下被显著上调，而其他如SMG8、AChE等则被下调。这些变化可能反映了宿主在应对热应激时，从维持共生关系转向增强免疫防御的策略。此外，研究还发现，一些蛋白质在多个组织中表现出一致的表达变化，这可能意味着这些蛋白质在宿主整体应对热应激中具有重要作用。

为了进一步验证这些蛋白质的功能，研究人员还利用了信号肽预测工具SignalP 5.0，对分泌蛋白进行了分析。结果显示，有164种经典的分泌蛋白被鉴定出来，其中129种被注释，包括73种上调和56种下调的蛋白。这些分泌蛋白主要分为三类：补体系统蛋白、模式识别受体（PRR）相关的蛋白，以及与生物矿化相关的蛋白。值得注意的是，凝集素和C1q结构域蛋白的表达变化与白化过程密切相关，这提示它们可能是巨型蛤应对热应激的重要分子标志物。

研究还发现，巨型蛤的热应激反应与珊瑚存在一定的相似性。例如，一些与氧化应激相关的基因如谷胱甘肽S转移酶（GST）和超氧化物歧化酶（SOD）在热应激条件下发生了显著的表达变化。其中，只有单一的GST亚型（Tcr06G005840.1）被显著上调，而其他亚型则表现出下调趋势。此外，钙调素（calmodulin）作为钙信号的关键调节因子，也在热应激条件下表现出显著的表达变化。这些结果支持了巨型蛤与珊瑚在应对热应激时具有相似的分子机制。

在蛋白质组学分析中，研究人员还发现了一些与共生关系密切相关的蛋白质，如凝集素家族成员和C1q结构域蛋白。这些蛋白质在热应激条件下表现出不同的表达模式，其中某些被显著上调，而另一些则被下调。这种变化可能反映了宿主在热应激下对共生体的识别和反应能力的改变。此外，研究还发现，一些与免疫防御相关的蛋白如HSP90、HSP70和HSP75在热应激条件下表现出显著的表达变化，这进一步表明巨型蛤在应对热应激时，不仅需要维持共生关系，还需要增强自身的免疫防御能力。

通过非致命性的血浆采样技术和高分辨率的蛋白质组学分析，本研究首次揭示了巨型蛤血浆在热应激前后的蛋白质组特征。这一发现不仅为理解巨型蛤的热应激反应提供了重要的分子基础，还为评估珊瑚礁生态系统的健康状况提供了新的工具。研究结果表明，凝集素家族蛋白和补体成分C1q的表达变化可能是巨型蛤应对热应激的重要分子标志物。此外，热休克蛋白（HSPs）和抗氧化酶的显著表达变化也进一步支持了巨型蛤与珊瑚在热应激下的分子反应具有一定的相似性。

在珊瑚礁生态系统中，巨型蛤作为重要的共生生物，其健康状况直接关系到整个生态系统的稳定。因此，本研究通过揭示巨型蛤在热应激下的分子反应，为未来的珊瑚礁保护和管理提供了重要的科学依据。研究还强调了非致命性采样技术在监测珊瑚礁生物健康方面的重要性，这种方法不仅可以减少对实验对象的伤害，还能够实现对生物体的重复采样，从而更全面地评估其生理和分子状态的变化。

综上所述，本研究通过整合蛋白质组学和转录组学分析，揭示了巨型蛤在热应激下的分子反应机制，包括免疫反应的激活、共生关系的调整以及生物矿化相关蛋白的变化。这些发现不仅为理解巨型蛤的热应激反应提供了新的视角，还为开发非侵入性的生物标志物和评估珊瑚礁生态系统健康状况提供了重要的理论基础和技术手段。未来的研究可以进一步验证这些分子标志物在自然环境中的适用性，并探索其在珊瑚礁保护和恢复中的潜在应用价值。