《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Multi-omics approach identifies candidate phototaxis regulators in brown algae and reveals a novel kinase localized to the paraflagellar body
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Nana Kinoshita-Terauchi|Makoto Terauchi|Kogiku Shiba|Alecia Bellgrove|Chikako Nagasato|Hideki Noguchi|Kazuo Inaba日本北海道室兰市室兰海洋站北方生物圈野外科学中心，地址
Nana Kinoshita-Terauchi|Makoto Terauchi|Kogiku Shiba|Alecia Bellgrove|Chikako Nagasato|Hideki Noguchi|Kazuo Inaba
日本北海道室兰市室兰海洋站北方生物圈野外科学中心，地址：北海道室兰市1-133-31
摘要
褐藻配子具有向光性，这是一种重要的行为反应，有助于其成功受精和扩散，但这一过程的分子机制至今仍不甚清楚。在此，我们采用整合多组学方法来识别可能与向光性相关的候选基因。该分析发现了20个在具向光性的物种中独特保守、而在非向光性物种中不存在的直系同源基因群。其中仅有两个直系同源基因群此前已被鉴定为鞭毛蛋白：位于后鞭毛的蓝光光受体Helmchrome，以及富集于前鞭毛的钙结合蛋白CABAF1，这表明这些候选基因可能包含与Helmchrome功能相关且可能与向光性有关的尚未被发现的鞭毛蛋白。我们还研究了一种被认定为与向光性密切相关的ABC1样激酶，发现它定位于后鞭毛的电子密集区域——副鞭毛体。这是首次在长期以来已被认识但缺乏分子层面研究的副鞭毛体中发现相关分子成分。我们的研究为探索褐藻向光性的分子机制提供了系统化的框架。
引言
褐藻（褐藻门——属于甲藻门中约2000种的主要类群）作为沿海海洋生态系统中的初级生产者，发挥着重要的生态作用[1]。它们的游动细胞能够通过两种在形态和功能上各有不同的鞭毛——前鞭毛和后鞭毛——的协同运动，对光或化学信号作出定向移动[2]。这类定向运动系统在真核生物中普遍存在，对于生物在各种环境中的生存和繁殖至关重要，因此了解褐藻配子如何感知并响应光和化学信号具有重要意义[3]、[4]、[5]、[6]。
目前仅在部分褐藻物种中观察到了向光性现象[7]。已有一种蓝光光受体Helmchrome（Ec-09_003350）被鉴定出来，且其定位于游动细胞的后鞭毛上[8]。尽管Helmchrome仅存在于具有向光性的物种中，而且其在鞭毛上的定位强烈暗示其与向光性行为有关[9]，但其具体功能仍未明确。与向光性相关的细胞内信号传导成分包括钙离子[10]和性信息素[11]，但驱动向光性的分子机制仍大部分未被揭示。
迄今为止，绿藻莱茵衣藻的向光性分子机制已得到了广泛研究[12]、[13]。然而，褐藻的鞭毛蛋白组成与莱茵衣藻有很大差异[8]，因此很难直接将莱茵衣藻的研究成果应用到褐藻上。所以，除了Helmchrome之外，褐藻中与向光性相关的因子身份至今仍然完全未知。虽然有多种方法可用于发现尚未被鉴定的基因，但随着全基因组数据的不断积累，包括系统发育分析在内的共进化分析方法变得愈发有效。这类方法也被用于研究真核生物的鞭毛蛋白[14]。尤其值得一提的是，系统发育分析即便在没有直接物理相互作用的情况下，也能检测出功能上相互关联的基因之间的共进化关系。
自2010年首次完成Ectocarpus基因组测序以来，越来越多的褐藻类群物种的基因组序列也被测定出来[15]。这使得人们能够基于大规模组学数据开展全基因组分析。此外，近年来褐藻基因编辑技术的发展[16]，也使得对任意目标基因进行反向遗传学分析成为可能。因此，将能有效利用各类综合分析数据的计算机筛选方法与细胞生物学技术和基因靶向技术等工具相结合，为阐明褐藻中重要生物学现象的分子机制奠定了基础。在本研究中，我们通过多层组学分析全面研究了与向光性相关的分子成分。基于这样一种假设，即像Helmchrome这样的与向光性相关的基因很可能已从非向光性物种的基因组中丢失，我们利用来自四种不同褐藻目中的三种具向光性物种（Ectocarpus sp. 7、Nemacystus decipiens、Fucus distichus）以及三种非向光性物种（Saccharina japonica、Undaria pinnatifida、Dictyota dichotoma）的现有全基因组数据，进行了比较基因组分析，以筛选出可能与向光性相关的候选基因。此外，我们还将[17]中已有的异形配子物种Mutimo cylindricus的雄配子/精子转录组数据以及本研究新获得的雌配子物种Hormosira banksii的相应数据结合起来，进一步缩小了与向光性相关的候选基因范围，并确定了其中一种尚未被鉴定的激酶的亚细胞定位。
章节节选
样本制备
Mutimo cylindricus的配子是按照[17]中的描述从培养菌株中采集的，随后被用于抗体制备及后续分析。Hormosira banksii则是在2022年和2023年的9月从澳大利亚维多利亚州的费尔里港（南纬38°23.65度，东经142°13.8′）采集的，随后被放在冰上运送到实验室。其精子的释放是按照[18]中的步骤诱导的，之后被用于后续的转录组和蛋白质组分析。
通过比较基因组学鉴定与向光性相关的候选基因
通过对三种具向光性物种（Ectocarpus sp. 7、Nemacystus decipiens、Fucus distichus）和三种非向光性物种（Saccharina japonica、Undaria pinnatifida、Dictyota dichotoma）进行二元系统发育分析，共鉴定出了80个可能与向光性相关的候选直系同源基因群（见图1）。不过，其中一些候选基因可能是由于基因组注释不完整、直系同源性推断有误，或是去除干扰因素不够彻底而产生的假阳性结果。
结论
褐藻的向光性，连同化感定向等其他定向运动机制，都是支持运动细胞无性繁殖和有性繁殖的重要环境响应机制。这一过程被认为有助于褐藻在变化剧烈的沿海环境中适应和进化。通过多层信息分析筛选与向光性相关的新型基因，本研究成功识别出一组具有特定功能的基因。
作者贡献
NKT和MT设计了实验并负责项目整体监督。NKT在KS、AB、CN、KI的帮助下开展了生物学实验。MT在HN的帮助下构思了生物信息学分析方案。所有作者都参与了论文的撰写工作。
CRediT作者贡献说明
Nana Kinoshita-Terauchi：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，监督，资源提供，项目管理，方法设计，研究实施，资金获取，正式分析，数据整理，概念构建。Makoto Terauchi：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，验证，监督，项目管理，方法设计，研究实施，正式分析，数据整理，概念构建。Kogiku Shiba：写作——审阅与编辑，
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了JSPS KAKENHI项目编号24K18150（由NKT申请）以及ROIS-DS-JOINT项目编号041RP2024（同样由NKT申请）的支持，同时还获得了迪肯大学沃南布尔校区提供的访问学者资助。在NKT和MT初步完成英文草稿后，还使用了ChatGPT来优化英文表达，之后则由英语母语者AB进行了仔细的审阅和修改。
