慢性环境温度通过调控蛋白表达影响成年斑马鱼眼部功能的热应激机制研究

《Scientific Reports》：Chronic environmental temperature affects protein expression in the eye of adult zebrafish (Danio rerio)

本研究针对环境温度变化对视觉系统的影响这一新兴问题，探讨了长期暴露于非最适温度对成年斑马鱼眼部蛋白质组的调控作用。研究人员通过将斑马鱼分别饲养在高温(34°C)、对照(26°C)和低温(18°C)条件下21天，采用鸟枪法蛋白质组学技术分析眼部蛋白质表达变化。结果显示高温显著下调光转导和氧化磷酸化相关蛋白，而低温主要影响翻译延伸和起始通路。这表明环境温度可直接干扰眼部蛋白质稳态，为理解热应激导致眼部功能障碍提供了分子机制依据，对全球变暖背景下视觉健康研究具有重要意义。

　　

在气候变化日益加剧的当今，环境温度波动对生物体的影响已成为生命科学研究的热点。特别是对于斑马鱼等变温动物，温度变化直接影响其生理功能。视觉作为脊椎动物最重要的感觉之一，其功能维持依赖于眼这一复杂器官的正常运作。然而，目前关于长期环境温度变化如何影响眼部分子机制的研究尚属空白。

斑马鱼(Danio rerio)因其与人类高度保守的视觉系统和快速的眼部发育成熟特点，已成为眼科研究的理想模型。值得注意的是，视网膜作为中枢神经系统的延伸，其对环境应激因素异常敏感。前期研究表明，化学污染物如纳米塑料、硝酸盐等可损害斑马鱼视网膜结构和功能，但温度这一关键环境变量对眼部蛋白质稳态的影响却鲜有报道。

针对这一研究空白，来自意大利米兰大学和罗马智慧大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果。该研究基于团队前期发现温度变化可影响斑马鱼脑部蛋白质组和行为的背景，进一步探讨了长期温度暴露对成年斑马鱼眼部蛋白质表达的影响。

研究方法概述

研究将96只成年野生型斑马鱼随机分为三组，分别暴露于34°C(高温)、26°C(对照)和18°C(低温)恒定温度下21天。实验采用每池32尾鱼的单一生物重复设计。采样时收集眼部组织并制备4个生物学重复池(每池含8尾鱼的眼部组织)。通过鸟枪法蛋白质组学技术结合液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)分析蛋白质表达，使用MaxQuant软件进行蛋白质鉴定和标记自由定量(Label-Free Quantification, LFQ)。数据分析包括主成分分析(PCA)、多元方差分析(MANOVA)和t检验，并通过Ingenuity Pathway Analysis(IPA)和Cytoscape进行通路富集分析。平行反应监测(Parallel Reaction Monitoring, PRM)用于验证关键蛋白表达。

高温(34°C)诱导眼部蛋白质组的显著重编程

研究人员在斑马鱼眼部共鉴定出685-691个蛋白质。主成分分析显示不同温度组的蛋白质组呈现明显分离，其中34°C组与其他两组差异最为显著。

热应激信号与线粒体功能受损

在34°C条件下，蛋白激酶R(PKR)和真核起始因子2(eIF2)信号通路激活，表明整合应激反应(Integrated Stress Response)的启动。Sirtuin信号通路也显著上调，这一组组蛋白去乙酰化酶以调控细胞应激反应著称。然而，与能量代谢相关的关键通路如氧化磷酸化、电子传递、ATP合成和热产生等均显著下调，提示高温导致线粒体功能严重受损。

研究人员观察到糖酵解和脂质生物合成过程上调，这可能是对线粒体功能障碍的代偿性反应。这种代谢重编程与团队前期在斑马鱼脑部的研究结果一致，表明热应激在不同神经组织中引发类似的代谢适应。

视觉功能相关蛋白的显著下调

最引人注目的发现是，高温显著抑制了与视觉光转导(visual phototransduction)相关的多个关键蛋白表达，包括GNAT1、GNB1、GRK1、视蛋白(opsins)和S-视紫红质抑制蛋白(S-arrestin)等。这些蛋白在光信号转换和视觉感知中发挥核心作用，其下调提示高温可能直接损害视网膜的视觉功能。

蛋白质稳态失衡与神经退行性变相似性

研究还发现分子伴侣介导的蛋白质折叠功能上调，但蛋白质聚集自噬(aggrephagy)通路却受到抑制。这种蛋白质稳态失衡与阿尔茨海默病等神经退行性疾病的分子特征相似，提示热应激可能通过破坏蛋白质质量控制机制影响眼部神经元健康。

低温(18°C)引发不同的适应性反应

与高温相比，低温暴露对眼部蛋白质组的影响较为温和。18°C主要调控翻译延伸、翻译起始和rRNA加工等蛋白质合成相关通路，而线粒体功能障碍通路显示轻度抑制，表明低温下线粒体功能保持相对完整。

眼部与脑部蛋白质组反应的比较分析

研究人员将眼部结果与前期发表的脑部蛋白质组数据进行比较，发现高温在两种神经组织中均引起Sirtuin信号通路上调和氧化磷酸化下调。然而，低温下的反应存在组织特异性：脑部Sirtuin信号上调而眼部却下调，提示不同神经组织对冷应激采用不同的适应策略。

研究结论与意义

该项研究首次系统揭示了长期环境温度变化对成年斑马鱼眼部蛋白质组的特异性影响。研究结果表明，高温(34°C)对眼部功能构成更大威胁，通过破坏线粒体能量代谢、抑制光转导通路和扰乱蛋白质稳态，产生类似神经退行性变的分子特征。相比之下，低温(18°C)主要引发蛋白质合成相关的适应性调整，对视觉功能影响较小。

这些发现不仅为理解温度应激对视觉系统的分子机制提供了新见解，也对全球变暖背景下变温动物的生存适应具有重要生态学意义。从转化医学角度，斑马鱼眼部对热应激的敏感性与人类视网膜疾病和神经退行性疾病的分子特征相似，提示该模型可用于研究保守的眼部神经毒性机制。未来研究可进一步探讨这些蛋白质组变化是否可逆，以及温度应激对视功能和行为的具体影响。

该研究通过先进的蛋白质组学技术揭示了环境温度影响眼部生理的新机制，为环境医学和视觉科学研究提供了重要理论基础。