大西洋鲑密度依赖性表观转录组、应激与食欲调控基因的表达机制研究

《Molecular Ecology》：Density-Dependent Expression of Epitranscriptomic, Stress and Appetite Regulating Genes in Atlantic Salmon

本文通过半自然条件下的大西洋鲑幼鱼实验，揭示了种群密度通过下丘脑应激通路（CRF）、食欲调控基因（AgRP/CART）及m6A RNA甲基化机制（如METTL3、YTHDF1）共同调节个体生理响应的分子网络，为理解环境压力下脊椎动物的表观转录调控与生活史进化提供了新视角。

　　

1 引言

种群密度是影响生物资源获取和社会互动的关键生态因子。高密度会加剧种内竞争，改变能量稳态与应激水平，进而影响生长和繁殖成功率。鱼类作为研究密度依赖性生理响应的理想模型，其自然栖息地中的密度效应尤为显著。然而，实验室环境的高密度条件难以模拟自然行为，限制了相关生理机制的解析。下丘脑作为连接神经系统与内分泌系统的中枢，通过调控促肾上腺皮质激素释放因子（CRF）、食欲刺激基因（如AgRP、NPY）和抑制基因（如CART、POMC），整合应激与能量平衡信号。近年来，m⁶A RNA甲基化作为可逆的表观转录修饰，被发现在脊椎动物下丘脑调控喂养、应激和性成熟中发挥重要作用。大西洋鲑作为典型洄游鱼类，其淡水阶段的生长显著受密度影响，且拥有与成熟年龄相关的关键基因位点（如vgll3和six6），为探讨密度调控的分子机制提供了独特模型。

2 材料与方法

研究在芬兰自然资源研究所的半自然河道中进行，将大西洋鲑幼鱼分为低密度（0.35–0.51尾/平方米）和高密度（1.62–2.05尾/平方米）两组，模拟自然摄食条件。实验持续12个月后，取未成熟个体的下丘脑组织，提取RNA并通过qPCR检测12个食欲与应激相关基因（如crf1a1/1a2/1b1/1b2、nr3c1/2、agrp1、cart2a/2b等）及16个m⁶A相关基因（包括writers如mettl3/mettl14/wtap、erasers如fto/alkbh5 paralogs、readers如YTH家族基因）的表达。同时利用EpiQuik试剂盒量化全局m⁶A甲基化水平。统计模型纳入密度、性别、six6和vgll3基因型及其交互作用作为固定效应，家族和实验批次作为随机效应，采用线性混合模型和错误发现率校正进行显著性分析。

3 结果

3.1 体重受密度调控

高密度组个体体重显著低于低密度组（p < 0.001），但性别及six6/vgll3基因型对体重无显著影响。

3.2 应激基因表达呈现旁系同源基因功能分化

密度变化对糖皮质激素受体基因（nr3c1/2）无显著影响，但显著调控CRF基因表达：crf1a1在高密度下表达上调（p = 0.025），而crf1b1在低密度下表达更高（p = 0.003）。six6基因型影响crf1a1表达（EE型高于EL型），且vgll3基因型与密度存在交互作用：低密度下vgll3*LL个体的crf1b2表达高于其他基因型。

3.3 食欲基因对密度的响应揭示cart2b潜在功能创新

食欲刺激基因agrp1在高密度下表达显著升高（p < 0.001），而两个旁系同源基因cart2a和cart2b呈现相反模式：cart2a在低密度下表达更高（p = 0.05），cart2b在高密度下上升（p = 0.004）。six6基因型影响cart2a表达（纯合子高于杂合子）。相关性分析显示，高密度下agrp1与cart2b表达正相关（R = 0.64），且两者均与体重负相关，提示cart2b可能具有与经典厌食作用相反的功能。

3.4 m⁶A调控基因受密度及six6基因型影响

低密度下mettl3（p = 0.034）和ythdf1-2（p = 0.003）表达更高。six6基因型显著影响mettl3、wtap和fto1表达（杂合子表达低于纯合子）。全局m⁶A甲基化水平未受密度或基因型影响。

3.5 基因表达网络提示多通路互作

nr3c1与fto1表达在高低密度下均强正相关（R = 0.70–0.80），且低密度下nr3c1与m⁶A水平负相关（R = -0.48）。cart2b在低密度下与多个YTH读码器及alkbh5旁系同源基因关联，暗示其可能受m⁶A特异性调控。

4 讨论

4.1 crf旁系同源基因的功能特异性

crf1a1和crf1b1对密度的反向响应与其在应激通路中的分工一致：crf1a1可能直接参与应激激活，而crf1b1更多关联复合刺激响应，印证了鲑鱼基因组复制后旁系同源基因的功能分化。

4.2 cart2b可能具有促食欲新功能

cart2b在高密度下的表达模式及其与agrp1的协同变化，挑战了CART基因传统的厌食角色，支持其在鲑鱼中可能通过基因组复制获得功能创新，适应能量胁迫环境。

4.3 m⁶A机制参与密度信号整合

mettl3和ythdf1-2的表达响应与哺乳类研究中这些基因在应激调控中的保守作用一致，提示m⁶A修饰可能作为环境信号与下丘脑基因表达间的桥梁。但全局m⁶A水平未变，表明调控可能具转录本特异性。

4.4 six6与vgll3基因型调节 hypothalamic 信号

six6杂合子在多个基因（crf1a1、cart2a、mettl3等）表达上均低于纯合子，可能反映该位点对下丘脑通路的多效性调控。vgll3*LL基因型与crf1b2的交互作用则暗示其可能通过调节应激行为（如攻击性）影响密度适应性。

5 结论

在近自然条件下，大西洋鲑下丘脑的应激、食欲及m⁶A相关基因表达受密度显著调控，且与six6/vgll3基因型互作。研究强调了旁系同源基因功能分化在环境适应中的重要性，并为理解脊椎动物表观转录调控在生态进化中的作用提供了新证据。未来需结合基因特异性m⁶A图谱等技术深入解析机制。