Tachysurus fulvidraco中与细胞凋亡相关的caspase基因家族的鉴定、进化特征分析及其在细菌、寄生虫和病毒感染下的表达谱研究

《Fish & Shellfish Immunology》：Identification, evolutionary and characteristic analysis of apoptosis - related caspase gene family in Tachysurus fulvidraco and their expression profiles under bacterial, parasitic, and viral infections

本研究系统鉴定了黄颡鱼基因组中9个凋亡相关caspase基因，分析其分子特征、进化关系及感染后表达动态，揭示其在细菌、病毒及寄生虫感染中的差异化调控作用，为鱼类凋亡机制和疾病防控提供理论依据。

　　本研究聚焦于黄颡鱼（*Tachysurus fulvidraco*）中与凋亡相关的半胱天冬酶（caspase）基因家族，通过基因组分析揭示其分子特性、进化关系以及在病原体感染过程中的表达动态。黄颡鱼是一种在鲤形目中具有重要经济价值的水产养殖鱼类，其肉质鲜美，广泛分布于中国南方水域。然而，近年来黄颡鱼频繁遭受多种病原体的感染，如细菌、病毒和寄生虫，给养殖业带来了显著的经济损失。因此，明确黄颡鱼中半胱天冬酶基因在免疫应答中的作用，有助于深入理解其抗病机制，并为水产养殖中的疾病防控提供科学依据。

半胱天冬酶是一类高度保守的半胱氨酸蛋白酶，广泛存在于从无脊椎动物到脊椎动物的生物体中。它们在宿主抗感染免疫和细胞凋亡调控中扮演着核心角色。细胞凋亡作为一种非炎症、非裂解性的细胞死亡方式，对于维持机体的正常发育和内稳态至关重要，包括生理细胞更新和清除受感染细胞等过程。半胱天冬酶通过感知病原体相关分子模式（PAMPs）和损伤相关分子模式（DAMPs）等信号，激活下游级联反应，从而促进病原体清除并维持宿主的炎症平衡。在哺乳动物中，半胱天冬酶家族已知至少有14个成员，其中一些参与炎症反应，而另一些则与凋亡直接相关。

在黄颡鱼的基因组中，研究人员系统地鉴定了九种与凋亡相关的半胱天冬酶基因，包括*caspase2*、*caspase3*、*caspase3a*、*caspase3b*、*caspase6*、*caspase7*、*caspase8*、*caspase9*和*caspase10*。值得注意的是，黄颡鱼基因组中未检测到经典的*caspase1*基因，这可能与其在免疫调控中的功能特性有关。根据其功能特性，这九种半胱天冬酶基因被进一步分为启动型（initiator）和效应型（effector）两类，其中启动型包括*caspase2*、*caspase8*、*caspase9*和*caspase10*，而效应型则包括*caspase3*、*caspase6*和*caspase7*。此外，*caspase3*在黄颡鱼中存在三种亚型（3、3a和3b），这表明其在进化过程中可能经历了特定的分化。

通过系统分析，研究人员发现这些半胱天冬酶基因在黄颡鱼中表现出高度的进化保守性。这种保守性不仅体现在其基因结构和功能上，还与黄颡鱼与其他鱼类的系统发育关系密切相关。例如，黄颡鱼与鲤科鱼类在进化上具有较近的亲缘关系，而其半胱天冬酶基因的进化模式与这些鱼类的系统发育树相吻合。此外，基因共线性分析进一步支持了这些基因在进化过程中经历了稳定的保留和一定的特异性分化。这种进化保守性可能反映了半胱天冬酶在维持宿主免疫应答和细胞凋亡调控中的关键作用。

在组织特异性表达方面，研究发现所有鉴定出的半胱天冬酶基因在多种组织中均表现出普遍的表达，包括肝脏、鳃和后肠等。然而，不同基因在各组织中的表达水平存在差异。例如，*caspase3b*在四种组织中的表达量变化最为显著，显示出其在黄颡鱼免疫应答中的潜在重要性。这种广泛的表达模式可能表明半胱天冬酶在黄颡鱼的多个生理和免疫过程中都具有重要作用，而其在特定组织中的高表达可能与其在这些组织中的免疫功能相关。

为了进一步探究半胱天冬酶基因在病原体感染中的动态变化，研究人员进行了三种病原体的感染实验，包括细菌（*Vibrio mimicus*）、寄生虫（*Ichthyophthirius multifiliis*）和病毒（黄颡鱼钙病毒，YCCV）。实验结果显示，在*Vibrio mimicus*感染的早期阶段，大多数半胱天冬酶基因在头肾、皮肤和鳃中显著上调，而在脾脏中，其表达水平主要在感染的中后期升高。这一现象可能与不同组织在感染初期和后期所承担的免疫功能不同有关。例如，头肾作为鱼类的主要免疫器官，可能在感染早期迅速响应，而脾脏则可能在感染后期才表现出显著的免疫反应。

在*Ichthyophthirius multifiliis*感染实验中，研究人员观察到在感染20天后，头肾中的所有半胱天冬酶基因均被激活，而皮肤中的大多数基因则在鱼体进入死亡状态时才表现出显著的表达变化。这一结果表明，不同组织对寄生虫感染的反应存在时间上的差异，可能与组织的免疫应答机制和细胞凋亡调控策略有关。此外，鳃和皮肤在感染过程中表现出不同的激活模式，这可能反映了这两种组织在抗寄生虫免疫中的不同作用。

在YCCV感染实验中，皮肤、鳃和头肾中的大多数半胱天冬酶基因均被激活，而*caspase3b*在四种组织中的表达量变化尤为显著，其表达倍数变化范围达到63.81至104.81倍。这一发现提示*caspase3b*可能在黄颡鱼对病毒感染的免疫应答中具有关键作用。同时，不同组织对病毒感染的反应模式可能反映了其在抗病毒免疫中的特异性功能。例如，皮肤和鳃作为鱼类的外部屏障，可能在病毒感染的早期阶段发挥重要作用，而头肾作为主要的免疫器官，可能在感染后期通过激活半胱天冬酶基因来增强宿主的免疫反应。

研究还发现，半胱天冬酶基因在不同病原体感染过程中表现出不同的表达动态，这可能与其在宿主免疫应答中的功能多样性有关。例如，在细菌感染中，头肾和皮肤中的半胱天冬酶基因在早期阶段被显著激活，而在病毒感染中，这些基因的激活则可能更广泛地分布在多个组织中。这种表达动态的差异可能与不同病原体对宿主免疫系统的刺激方式不同有关。细菌感染可能主要通过激活细胞凋亡来清除受感染细胞，而病毒感染则可能通过多种机制，包括直接激活细胞凋亡和间接影响免疫反应，来维持宿主的免疫平衡。

此外，研究还发现半胱天冬酶基因在不同病原体感染过程中表现出一定的协同作用。例如，在*Vibrio mimicus*感染中，某些半胱天冬酶基因的表达变化可能与免疫细胞的激活和凋亡过程相关，而在*Ichthyophthirius multifiliis*感染中，这些基因的表达可能与寄生虫的生命周期和宿主的免疫反应时间点相匹配。这种协同作用可能有助于宿主更有效地应对不同类型的病原体感染，从而增强其抗病能力。

研究还指出，半胱天冬酶基因的表达可能受到多种因素的影响，包括环境因素和内源性信号。例如，水体中的氨氮浓度可能会影响半胱天冬酶的表达水平，而温度变化可能会影响其活性。此外，内源性激素如皮质醇可能通过调节半胱天冬酶的表达模式来影响宿主的免疫反应。这些发现表明，半胱天冬酶基因的表达不仅与病原体感染有关，还可能受到宿主内部和外部环境的共同调控。

总体而言，本研究揭示了黄颡鱼中与凋亡相关的半胱天冬酶基因家族的组成、分子特征、进化关系以及在不同病原体感染过程中的表达动态。研究结果表明，这些基因在黄颡鱼的抗感染免疫中具有重要作用，其表达模式和功能特性可能因感染类型和组织而异。此外，半胱天冬酶基因的进化保守性和特异性分化可能反映了其在维持宿主免疫平衡和细胞凋亡调控中的关键地位。这些发现不仅有助于理解黄颡鱼的抗病机制，还为其他鲤形目鱼类的研究提供了参考，同时也为水产养殖中疾病的防控策略提供了科学支持。未来的研究可以进一步探讨这些基因在不同病原体感染中的具体作用机制，以及它们如何与其他免疫相关基因相互作用，共同调节宿主的免疫应答。