基于CARS算法筛选HIF-1α调控的滩羊肉宰后早期能量代谢关键蛋白标志物

《Food Quality and Safety》：Competitive Adaptive Reweighted Sampling Algorithm Identifies HIF-1α-Regulated Protein Markers Governing Early Energy Metabolism in Post-Slaughter Tan Sheep Meat

本研究针对宰后滩羊肉能量代谢分子机制不清的问题，通过抑制HIF-1α并结合蛋白质组学与竞争性自适应重加权采样(CARS)算法，发现HIF-1α通过调控糖酵解关键酶(LDHA、PGK1)和热休克蛋白(HSPB6、HSP90B1)等生物标志物，维持ATP稳态并影响肉质特性，为冷鲜肉品质调控提供了新靶点。

　　

当动物被屠宰后，肌肉组织会进入一个特殊的能量代谢阶段。随着血液循环停止，氧气供应中断，细胞被迫在缺氧环境下维持生命活动。这个过程不仅决定了肉类的口感、色泽和营养价值，更隐藏着复杂的分子调控机制。近年来，科学家发现缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)在这一过程中扮演着关键角色，但其具体作用机制仍如迷雾般难以捉摸。

在宰后肌肉中，HIF-1α如何调控能量代谢途径？哪些蛋白质在这个过程中起着决定性作用？这些问题一直困扰着肉类科学研究领域。传统的蛋白质组学方法虽然能够发现大量差异表达蛋白，但难以从海量数据中筛选出真正关键的生物标志物。正是为了解决这一难题，宁夏大学的研究团队开展了一项创新性研究，将先进的机器学习算法与蛋白质组学技术相结合，揭开了HIF-1α调控滩羊肉宰后能量代谢的分子奥秘。

研究发现，抑制HIF-1α活性后，滩羊肉的pH值下降速度明显减缓，肉色变化(ΔE)显著增加，肌原纤维碎片化指数降低。这些现象提示HIF-1α在宰后肌肉代谢中发挥着重要调控作用。通过蛋白质组学分析，研究人员鉴定出257个差异表达蛋白，这些蛋白主要富集于AMPK信号通路、糖酵解和HIF-1信号通路等关键代谢途径。

为了从这些蛋白中筛选出最关键的生物标志物，研究团队采用了竞争性自适应重加权采样(CARS)算法。这种机器学习方法通过模拟"粗选"和"精选"过程，能够有效识别出对能量代谢变化最敏感的蛋白质指标。分析结果显示，乳酸脱氢酶A(LDHA)、磷酸甘油酸激酶1(PGK1)、热休克蛋白β-6(HSPB6)和热休克蛋白90kDaβ1(HSP90B1)被确定为关键的能量代谢生物标志物。

本研究采用了多种关键技术方法：通过宰后肌肉样本的HIF-1α特异性抑制剂(YC-1)处理建立实验模型；利用液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)进行蛋白质组学分析；采用高效液相色谱(HPLC)测定ATP/ADP/AMP/NADH等能量物质水平；运用CARS算法进行特征蛋白筛选；结合常规肉质指标(pH、肉色、肌原纤维碎片化指数)进行相关性分析。

3.1 滩羊肉品质特征

通过测定不同处理组在不同贮藏时间的肉质指标，发现抑制HIF-1α会减缓pH下降速度，增加总色差(ΔE)，降低肌原纤维降解程度，表明HIF-1α参与调控宰后肌肉的生化变化过程。

3.2 ATP、ADP、AMP和NADH水平的变化

能量代谢分析显示，抑制HIF-1α能使肌肉在宰后2天保持较高的ATP水平，同时影响ADP、AMP和NADH的动态平衡，说明HIF-1α通过调节糖酵解和氧化磷酸化过程影响能量代谢。

3.3 蛋白质组谱分析

蛋白质组学鉴定出2,975个蛋白质，其中257个为各组共有的差异表达蛋白。这些蛋白主要参与细胞粘附、形态发生等生物过程，并富集于糖酵解/糖异生、AMPK信号等代谢通路。

3.4 竞争性自适应加权算法筛选影响能量代谢的关键蛋白

CARS算法分析确定了53个与ATP、109个与ADP、120个与AMP、76个与NADH相关的特征蛋白，最终筛选出12个共同的关键蛋白。这些蛋白与肉质性状显著相关，可分为代谢相关、热休克反应和细胞骨架蛋白三类。

研究结果表明，HIF-1α在宰后肌肉中通过多重机制调控能量代谢：一方面通过抑制糖原合成、增强糖酵解酶活性来维持ATP生产；另一方面通过调节热休克蛋白活性来维持细胞稳态。具体而言，PGK1催化糖酵解中ATP生成的关键步骤，而LDHA则负责将丙酮酸转化为乳酸，同时产生H⁺，这正是宰后肉品pH下降的化学基础。当HIF-1α被抑制时，这些酶的活性下降导致ATP合成减缓，能量代谢模式发生改变。

热休克蛋白在這一过程中扮演着复杂角色。HSPB6通过与肌动蛋白相互作用增强肌纤维稳定性；HSPA1A在代谢应激环境中起保护作用，可能通过稳定丙酮酸激酶M2来促进糖酵解；而HSP90B1则与HIF-1α的稳定性直接相关，通过结合HIF-1α防止其被泛素化降解。这些蛋白共同构成了一个精细的调控网络，影响宰后肉品的成熟过程。

此外，研究还发现细胞骨架蛋白如PDLIM3和KLC1也参与这一过程。这些蛋白的变化可能影响肌纤维结构和稳定性，进而影响肉品嫩度。而AMPK与HIF-1α之间的反馈调节机制，进一步丰富了我们对宰后能量代谢调控网络的认识。

这项研究的创新之处在于首次将CARS算法应用于宰后肌肉能量代谢生物标志物的筛选，不仅验证了HIF-1α的核心调控作用，还发现了一系列关键蛋白标志物。这些发现为理解宰后肌肉代谢转换的分子机制提供了新视角，对优化肉类加工工艺、提高肉品质量具有重要指导意义。

未来研究可在此基础上，进一步验证这些生物标志物在不同物种、不同肌肉部位中的普适性，并探索通过调控HIF-1α通路来改善肉品品质的具体应用策略。这项发表于《Food Quality and Safety》的研究，为肉类科学领域提供了重要的理论依据和方法学借鉴，推动了蛋白质组学与机器学习在食品品质研究中的深度融合。