转录组学与代谢组学联合分析揭示光棘球海胆性腺分化的分子机制

《Scientific Reports》：Integrated application of transcriptomics and metabolomics provides insights into gonadal differentiation in Mesocentrotus nudus

为解决光棘球海胆（Mesocentrotus nudus）性腺分化分子机制不清的问题，研究人员开展了转录组与代谢组联合分析。研究发现，当个体壳径达到约40 mm时发生形态学分化，并鉴定出GATA4、CYP17A1、FST、HSD17B等关键基因及视黄酸、亚油酸、花生四烯酸等代谢物。研究揭示了TGF-β信号通路和视黄醇代谢在性腺分化中的核心作用，为海胆性别控制育种提供了分子基础。

　　

光棘球海胆（Mesocentrotus nudus）是东亚地区重要的水产养殖物种，其性腺是唯一可食用的部分，具有极高的经济价值。然而，与脊椎动物拥有明确的性别决定基因（如SRY、DMRT1）和特化的体细胞支持细胞（如支持细胞、颗粒细胞）不同，海胆等棘皮动物缺乏异形性染色体，其性腺结构主要由营养吞噬细胞构成。这种独特的生殖生物学特性使得海胆性腺分化的分子调控机制一直是个未解之谜。准确掌握性腺分化的时机和调控网络，对于开发性别控制育种技术、提高养殖海胆的产量和品质至关重要。

为了深入解析光棘球海胆性腺分化的分子基础，来自大连海洋大学的研究团队在《Scientific Reports》上发表了一项研究。他们首次将转录组学与代谢组学技术相结合，系统性地比较了分化与未分化性腺之间的基因表达谱和代谢物谱，揭示了调控海胆性腺分化的关键基因、代谢通路及其相互作用网络。

关键实验方法

本研究主要采用了多组学联合分析策略。首先，研究人员通过组织学切片观察确定了光棘球海胆性腺形态学分化发生的时期（壳径约40 mm）。随后，他们收集了分化卵巢（DO）、分化精巢（DT）、未分化卵巢（UDO）和未分化精巢（UDT）的组织样本。利用高效液相色谱（HPLC）和气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术分析了性腺组织的氨基酸和脂肪酸组成。核心组学分析包括：通过Illumina HiSeq 2000平台进行转录组测序（RNA-Seq），鉴定差异表达基因（DEGs）；通过超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（UPLC-QTOF/MS）进行非靶向代谢组学分析，鉴定差异表达代谢物（DEMs）。最后，通过qRT-PCR对关键基因的表达模式进行了验证，并利用KEGG数据库对差异基因和代谢物进行了通路富集分析。

研究结果

1. 性腺形态学分化与氨基酸组成差异

研究人员发现，当海胆壳径达到约40 mm时，性腺开始发生形态学分化，卵巢中出现初级卵母细胞，精巢中出现嗜碱性精原细胞或初级精母细胞。氨基酸组成分析显示，分化后的精巢中赖氨酸、脯氨酸、丙氨酸和谷氨酸等氨基酸的含量显著高于卵巢，表明性腺发育存在性别二态性的代谢需求。

2. 转录组分析揭示性腺分化相关的关键基因

转录组测序共获得56,770个unigenes。差异表达分析显示，分化卵巢与分化精巢之间存在5,085个差异表达基因。KEGG通路富集分析发现，这些基因显著富集于核糖体、嘌呤代谢等通路。在分化精巢与未分化精巢的比较中，细胞外基质-受体相互作用、TGF-β信号通路、蛋白酶体、同源重组、嘌呤代谢、DNA复制和错配修复等通路被显著富集。研究人员鉴定出多个与性别决定和分化相关的保守基因，包括GATA4、CYP17A1、FOXL2、ACTIVIN和WIF1，这些基因在未分化性腺中高表达，提示它们在性腺早期形成中发挥潜在作用。而SOX14、HSD17B、CYCLIN A、CYCLIN B和DMRT1则在分化性腺中高表达，其中SOX14和DMRT1在分化精巢中表达水平最高。qRT-PCR验证结果与转录组数据一致，证实了这些基因的表达模式。

3. 代谢组学分析揭示性腺分化相关的代谢物变化

代谢组学分析共鉴定出4,827种代谢物。在分化卵巢与分化精巢的比较中，共发现975个差异代谢物。在分化精巢与未分化精巢的比较中，共发现2,452个差异代谢物。这些差异代谢物主要涉及视黄醇代谢、类固醇生物合成、氨基酸代谢等通路。关键代谢物包括视黄酸、亚油酸、花生四烯酸等。

4. 转录组与代谢组联合分析揭示核心调控网络

联合分析发现，差异表达基因和差异表达代谢物在多个关键通路中共同富集，包括视黄醇代谢、氨基酸代谢和类固醇生物合成。在视黄醇代谢通路中，CYP26、CYP1A、CYP3A等基因的表达与视黄酸等代谢物的水平密切相关。此外，TGF-β信号通路中的36个基因在分化与未分化精巢之间存在差异表达，其中Smad4、Smad1、fibrillin、BMP及其受体等30个基因在未分化精巢中高表达，而Smad6-like、Rbx1和SKP等6个基因在分化精巢中高表达。

结论与讨论

本研究首次确定了光棘球海胆性腺形态学分化发生的时期（壳径约40 mm），并揭示了性腺发育过程中的性别二态性代谢需求。通过整合转录组学和代谢组学分析，研究人员构建了海胆性腺分化的分子调控网络，并鉴定出GATA4、CYP17A1、FST、HSD17B等关键基因以及视黄酸、亚油酸、花生四烯酸等关键代谢物作为潜在的性别分化分子标记。

研究结果强调了TGF-β信号通路和视黄醇代谢在海胆性腺分化中的核心作用。TGF-β信号通路成员（如Smads、Rbx1、SKP）的差异表达模式表明该通路在精子发生和雄性性腺分化中扮演着重要的调控角色。视黄酸信号通路与CYP家族基因（CYP26、CYP1A、CYP3A）的强相关性，提示其可能像在脊椎动物中一样，在海胆生殖细胞减数分裂起始和性腺性命运决定中发挥关键作用。

该研究不仅增进了我们对棘皮动物性腺分化分子机制的理解，也为光棘球海胆的性别控制育种提供了坚实的分子基础，对推动海胆养殖业的可持续发展具有重要意义。