《Algal Research》：Diurnal oscillation of prostaglandin pathway gene expression in
Skeletonema marinoi under different environmental conditions
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硅藻 Skeletonema marinoi 两种菌株 FE7 和 FE60 在光强、温度及 CO? 浓度变化下的前列腺素（PGs）合成途径关键酶基因（COX-1、PTGES、PTGDS）表达动态研究表明，FE7 对环境波动更敏感，CO? 显著调控 COX-1 和 PTGDS 表达但抑制 PTGES，提示 PGs 可能参与环境适应，其功能需结合生理指标与质谱验证。
劳拉·维塔莱（Laura Vitale）|安东尼奥·富恩特斯-莱马（Antonio Fuentes-Lema）|罗莎·玛丽亚·塞佩（Rosa Maria Sepe）|希塔卡·克里尚塔·萨米拉·德·佐伊萨（Heethaka Krishantha Sameera de Zoysa）|达里奥·里盖利（Dario Righelli）|克里斯蒂娜·索布里诺（Cristina Sobrino）|乔瓦娜·罗曼诺（Giovanna Romano）|瓦莱里亚·迪·达托（Valeria Di Dato）
安东·多恩动物学站（Stazione Zoologica Anton Dohrn），可持续海洋生物技术系（Department of Ecosustainable Marine Biotechnology），那不勒斯，意大利
摘要
前列腺素（PGs）是一类具有生物活性的脂质化合物，参与各种生物体的生理和环境反应。虽然其生物合成过程在动物体内已得到充分研究，但最新证据表明硅藻也具备合成前列腺素的遗传机制；然而，其具体功能仍大部分未被探索。本研究探讨了在不同环境条件下（包括光照强度、温度和二氧化碳浓度变化）Skeletonema marinoi中前列腺素合成途径基因表达的昼夜波动情况。我们使用FE7和FE60两种菌株，分析了参与前列腺素合成的三种关键酶的表达动态：环氧化酶-1（COX-1）、微粒体前列腺素E合成酶（PTGES）和前列腺素H2 D-异构酶（PTGDS）。研究结果表明，这两种菌株对环境条件的响应存在差异，FE7对温度和光照变化的敏感性高于FE60。高二氧化碳水平似乎会促进COX和PTGDS的表达，而抑制PTGDS的表达，这可能影响不同前列腺素的产生。尽管如此，前列腺素在硅藻中的具体功能仍不明确。这些发现为了解硅藻对环境变化的分子响应提供了初步见解，有助于进一步探讨其在植物群落中的潜在作用，但由于缺乏功能测定和LC-MS/MS代谢物分析，其生态意义仍需进一步验证。为了加强这些发现，未来的研究应结合生长速率、细胞形态和应激标志物等生理指标来分析基因表达。
引言
海洋环境是地球上最大的生物群落，覆盖了地球表面70%以上的面积，占全球生物量的90%[1]。由于其丰富的生物多样性，它是一个宝贵的资源宝库，其中单细胞藻类（如硅藻）是最主要的群体之一。硅藻属于光合真核生物的主要分支（链格藻门），广泛存在于海洋和淡水环境中，贡献了全球初级生产力的约20%[2]。它们起源于一次次级内共生事件，并经历了快速的DNA更替和细菌水平基因转移（HGT）[3]。这些过程导致了硅藻基因组的复杂性，使其生理和生态特征具有多样性，从而能够适应各种栖息地和非生物因素[4]。硅藻富含多种聚合物、色素（如β-胡萝卜素、岩藻黄质和二蝶呤黄质）、肽、维生素以及脂质（如甾醇、长链脂肪酸（C14:0、C16:0、C16:1）和多不饱和脂肪酸（PUFAs）[5][6][7]。
多不饱和脂肪酸（PUFAs）的衍生物中，前列腺素（PGs）是一类具有激素样作用的脂质化合物，参与多种生理和病理过程[8]。在哺乳动物体内，前列腺素的主要功能包括调节炎症、促进愈合、控制疼痛、红肿、眼压调节、免疫细胞调控、血管收缩或扩张、抑制胃酸分泌、调节月经和诱导分娩[9,10]。动物体内的前列腺素合成途径涉及花生四烯酸（AA）的代谢，通过前列腺素G/H合成酶（PTGS，也称为环氧化酶COX-1和COX-2）的氧化生成中间产物PGG2，进一步还原为PGH2。PGH2根据特定的前列腺素终端合成酶转化为不同系列的前列腺素，如前列腺素I2（PGI2）和血栓素A2（TXA2）[11]。前列腺素的系列编号取决于其前体中的双键数量：AA主要存在于动物体内，是含有两个双键的前列腺素II系列的前体；二十碳五烯酸（EPA）是含有三个双键的前列腺素III系列的前体；二十碳三烯酸（DGLA）是含有一个双键的前列腺素I系列的前体[11]。
1984年，首次在单细胞绿藻Euglena gracilis中发现了前列腺素的存在，通过HPLC血清分析发现，在黑暗环境中生长的细胞中PGE2和PGF2α的基因表达水平是光照环境中的三倍[12]。随后，在Gracilaria和Laminaria等一些大型藻类中也发现了前列腺素分子，这些研究与其对铜胁迫或太阳辐射的反应有关[13,14]。最新研究表明，在海洋帽状藻Isoschrysis galbana中，PGE2和PGF2α在静止生长阶段表达显著升高[15]。有趣的是，在模式硅藻物种Phaeodactylum tricornutum的基因组中不存在COX基因序列；然而，发现了类似前列腺素的化合物——异前列腺素，它们通过非酶促合成途径产生[16]。2017年，通过转录组分析在多种海洋硅藻物种中确定了前列腺素的完整合成途径，并在两种核心硅藻物种Skeletonema marinoi和Thalassiosira rotula中得到了验证[17][18][19]。在这些物种中，研究了该途径中四种关键酶（环氧化酶（COX-1/2）、微粒体前列腺素E合成酶（PTGES）、前列腺素H2 D-异构酶（PTGDS）和9,11-过氧化物前列腺素H2还原酶（PTGFS）在不同生长阶段的基因表达。此外，还在细胞内和细胞外提取物中鉴定并定量了相应的前列腺素分子[17,19]。在T. rotula中的实验验证显示，在硅藻缺乏硅酸的情况下，前列腺素基因表达下调；而在指数生长阶段表达上调[18,19]。在S. marinoi中，与指数生长阶段相比，前列腺素基因在藻类静止生长和衰老阶段的表达存在差异。具体而言，COX仅在衰老阶段下调，而PTGES在静止和衰老阶段均上调，PTGDS仅在衰老阶段上调[17]。此外，这些基因的表达还受到时间的影响，尤其是在培养物中有捕食者存在的情况下[20]，并且在同一物种的两个克隆（FE7和FE60）之间也存在差异[21]。
尽管越来越多的证据表明海洋微藻中存在前列腺素，但它们在这些微生物中的作用仍不清楚。前列腺素释放到细胞外可能具有信号传导作用[22]，这一点得到了捕食者存在时前列腺素基因过度表达的证据支持，以及随着藻类培养老化细菌数量增加时的相关现象。
基于这些证据以及硅藻次级代谢的可塑性[18]，可以通过改变非生物参数或施加特定的极端环境条件来进一步研究前列腺素的基因表达和合成。
本研究探讨了不同光照、温度和二氧化碳浓度对硅藻S. marinoi两种菌株中三种关键酶（编码前列腺素合成相关基因的COX、PTGES和PTGDS）表达的影响。这两种菌株根据生长阶段产生的前列腺素量有所不同[17]。由于我们的Skeletonema marinoi转录组数据集中缺乏PTGFS（9,11-过氧化物前列腺素H2还原酶）的相关注释，因此未将其纳入研究。本研究旨在了解这些非生物参数对前列腺素合成相关酶基因表达的影响，从而推断它们在硅藻应对环境因素中的作用。
菌株培养
Skeletonema marinoi菌株FE7和FE60分别于1999年和2005年在北亚得里亚海春季硅藻大量繁殖期间从浮游植物样本中分离得到[21]。
批量培养在无菌f/2培养基（使用当地采集的海水制备，坐标为42.201960°N -8.798530°W，西班牙维戈）中进行，培养温度为20°C，光照周期为12:12小时（光照:黑暗），光子通量密度为100 μmol m^-2 s^-1。同时测量了光合有效辐射（PAR）强度
结果
分析了前列腺素合成途径中三种关键基因（前列腺素G/H合成酶1/2或环氧化酶-1（COX-1/2）、微粒体前列腺素E合成酶（PTGES）和前列腺素H2 D-异构酶（PTGDS）的表达变化，比较了它们在对照组（CTR）和不同实验条件（低光照（LL）和高光照（HL）、低温（LT）和高温（HT）以及高二氧化碳（HC）下的表达情况
讨论
海洋环境因素（如酸度、光照和温度）的波动会显著影响单细胞生物的代谢。在这种情况下，像硅藻这样的微藻能够快速适应这些变化，调节其次级代谢产物的产生[32][33][34]。在环境突然变化时，微藻会积累脂质和/或淀粉以克服生长限制压力
结论与展望
本研究探讨了在不同非生物因素（如光照强度、温度和二氧化碳浓度）条件下Skeletonema marinoi菌株FE7和FE60中前列腺素合成途径基因表达的昼夜波动情况。三种关键酶（环氧化酶-1（COX-1）、微粒体前列腺素E合成酶（PTGES）和前列腺素H2 D-异构酶（PTGDS）的表达动态显示了菌株间的差异，其中FE7对环境因素的敏感性更高
CRediT作者贡献声明
劳拉·维塔莱（Laura Vitale）：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，软件使用，方法学设计，实验设计，数据分析。安东尼奥·富恩特斯-莱马（Antonio Fuentes-Lema）：资源获取，方法学设计，概念框架制定。罗莎·玛丽亚·塞佩（Rosa Maria Sepe）：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写。希塔卡·克里尚塔·萨米拉·德·佐伊萨（Heethaka Krishantha Sameera de Zoysa）：结果验证，实验设计。达里奥·里盖利（Dario Righelli）：软件使用，数据分析，数据管理。克里斯蒂娜·索布里诺（Cristina Sobrino）：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，资源获取，方法学设计，概念框架制定。乔瓦娜·罗曼诺（Giovanna Romano）：
资助
本研究部分得到了欧盟“地平线2020”研究与创新计划（Horizon 2020）的资助，项目编号为730984（ASSEMBLE Plus项目）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢Massimo Perna和Francesco Esposito在培养基制备和菌株补充方面的技术支持；感谢SZN分子生物学部门的Raimondo Pannone和Elvira Mauriello在寡核苷酸订购和扩增子测序方面的协助。
