单细胞RNA测序揭示鲫鱼鳃片间细胞团对低氧胁迫的异质性响应机制及其在鳃重塑中的关键作用

本研究通过单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术，系统解析了鲫鱼(Carassius auratus)鳃片间细胞团(ILCM)在低氧胁迫下的异质性响应特征。研究发现ILCM细胞比例从49.4%降至26.7%，其免疫和增殖功能受抑制，内质网应激(ER stress)和gsdma3/caspase-3介导的细胞焦亡(pyroptosis)是调控鳃重塑的关键通路，为鱼类低氧适应策略提供了单细胞水平的分子机制解释。

在水生生态系统中，溶解氧(DO)浓度是影响鱼类生存的关键环境因子。随着全球气候变化和人类活动加剧，水体富营养化导致的低氧现象(<2.0 ml/L DO)日益严重，直接威胁鱼类的生长发育和免疫防御。鲫鱼(Carassius auratus)作为极端耐低氧鱼类的代表，其独特的"鳃重塑"现象——通过改变鳃片结构增加气体交换面积，一直是鱼类生理学研究的热点。然而，这种适应性变化的细胞分子机制，特别是鳃片间细胞团(interlamellar cell mass, ILCM)的动态响应过程，仍存在大量未解之谜。

河北某研究机构的研究团队在《Fish》期刊发表的最新研究中，创新性地运用单细胞RNA测序(scRNA-seq)技术，首次在单细胞分辨率下揭示了ILCM在低氧胁迫下的异质性响应特征。研究发现低氧诱导的ILCM快速凋亡是鳃重塑的核心事件，内质网应激(ER stress)和细胞焦亡(pyroptosis)通路在其中发挥关键调控作用。这一发现不仅阐明了鲫鱼极端耐低氧的分子基础，也为水生动物环境适应机制研究提供了新的技术范式。

研究人员采用10x Genomics单细胞测序平台对常氧和低氧处理(120小时)的鲫鱼鳃组织进行分析，结合HE染色和TUNEL检测等组织学方法。通过Seurat软件进行细胞聚类和注释，CellChat分析细胞间通讯，Monocle2构建伪时序轨迹，并采用GO/KEGG进行功能富集分析。

研究结果部分：
"Structure and morphology of gill tissue of crucian carp"显示，低氧处理使ILCM横截面积显著减小(P<0.01)，鳃片变薄且铺排细胞排列疏松，暴露面积增加。单细胞转录组鉴定出9种细胞类型，其中ILCM占比从49.4%降至26.7%。

"Cell type identification and cell proportion changes"通过标记基因分析确认ILCM高表达增殖相关基因(mki67, pcna)和免疫基因(il1b, tnfa)。低氧条件下其细胞周期阻滞于G1期，增殖能力下降。

"Cell-cell communication analysis"发现ILCM中tnfb-cd40配体-受体对在免疫应答中起核心作用，低氧导致ILCM与其他细胞的通讯强度降低54.7%。

"DEGs and functional enrichment analysis"揭示低氧诱导ILCM内错误折叠蛋白积累，激活未折叠蛋白反应(UPR)通路，GRP78和CHOP表达上调2.1-3.8倍。

"ER stress-mediated apoptosis"证实IRE1α-XBP1和PERK-eIF2α通路激活，caspase-12表达增加导致细胞凋亡。同时gsdma3表达上调4.2倍，与caspase-3共同诱导细胞焦亡。

讨论部分指出，该研究首次在单细胞层面解析了ILCM响应低氧的分子程序：ER stress通过双重机制调控细胞命运——急性应激诱导凋亡为鳃重塑提供空间，慢性应激激活GRP78等伴侣蛋白维持细胞稳态。这种精确的时空调控解释了鲫鱼能在数月低氧环境中存活的生理基础。研究建立的鲫鱼鳃单细胞图谱为水生毒理学和比较生理学研究提供了宝贵资源，其中发现的氧敏感基因如HIF-1α亚型可能成为评估水体缺氧程度的分子标记。

该研究的创新性体现在三个方面：技术上首次将scRNA-seq应用于鲤科鱼类环境适应研究；理论上阐明了ER stress在鱼类器官重塑中的双重作用；应用上为水产养殖抗低氧品种选育提供了候选靶基因。未来研究可进一步探索ILCM亚群在鳃再生中的作用，以及温度对低氧应答的调控机制。