《Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology》：Molecular characterisation of catalase in Antarctic teleosts: insights into oxidative stress management in an extreme environment
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南极海洋环境是地球上最具挑战性的栖息地之一，其特点是极低的温度、高氧溶解度和光照可用性的季节性波动。这一独特生态系统推动了其居民特别是南极鱼类的显著适应。在这些适应中，抗氧化防御系统在维持细胞稳态和抵御氧化应激方面发挥着关键作用。氧化应激发生在活
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南极海洋环境是地球上最具挑战性的栖息地之一，其特点是极低的温度、高氧溶解度和光照可用性的季节性波动。这一独特生态系统推动了其居民特别是南极鱼类的显著适应。在这些适应中，抗氧化防御系统在维持细胞稳态和抵御氧化应激方面发挥着关键作用。氧化应激发生在活性氧（ROS）的产生与生物体解毒或修复其造成损伤的能力之间失衡时。在 Antarctic 鱼类中，若干因素可能导致潜在的氧化应激，包括冷水中氧气的高溶解度、线粒体密度增加、南极夏季紫外线辐射暴露以及季节性代谢波动。为克服氧化应激，南极鱼类已发展出复杂而高效的抗氧化系统，包括酶促和非酶促抗氧化剂，协同维持细胞氧化还原稳态。其中，过氧化氢酶（catalase，CAT）在有氧生物的抗氧化防御中发挥核心作用。CAT（EC 1.11.1.6）几乎存在于所有有氧生物中，从细菌到人类。它是一个由四个相同亚基组成的四聚体，每个亚基含有一个中心带铁原子的血红素基团。CAT 的主要功能是催化过氧化氢（H2O2）分解为水和氧气。在真核细胞中，CAT 主要定位于过氧化物酶体。尽管已在多种南极鱼类中测量到 CAT 酶活性，但关于 cat 基因表达和调控的详细信息仍然有限。迄今为止，CAT 尚未在南极南极鱼科（notothenioid）鱼类中得到分子表征，其结构特性和组织特异性调控在很大程度上仍未被探索。本研究通过表征两种广泛分布于南极沿海地区的物种——祖母绿岩鳕（Trematomus bernacchii）和鳄冰鱼（Chionodraco hamatus）——中的 CAT 来填补这一知识空白。这两种物种代表了对比鲜明的生理模型：T. bernacchii 是依靠血红蛋白和肌红蛋白运输氧气的红血南极鱼科鱼类，而 C. hamatus 属于冰鱼科（Channichthyidae），是唯一缺乏功能性血红蛋白的脊椎动物类群。研究人员利用从 cDNA 测序获得的序列以及对 T. bernacchii 和 C. hamatus 转录组的分析，分析了南极和非南极物种直系同源基因之间的系统发育关系。此外，研究人员测定了 T. bernacchii 和 C. hamatus 中组织特异性 cat 转录水平和 CAT 酶活性。
论文解读文章
一、研究背景与科学问题
南极海洋环境是地球上最极端且稳定的栖息地之一，以极低温度、高氧溶解度和季节性光照波动为特征。这些环境因素共同促进了活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生：冷水中氧气溶解度升高、鱼类线粒体密度增加、夏季紫外线辐射暴露以及季节性代谢波动，均使南极鱼类面临较高的氧化应激风险。当 ROS 的产生与生物体解毒能力之间失衡时，氧化应激便随之发生。为应对这一挑战，南极鱼类进化出了由酶促和非酶促抗氧化剂组成的复杂防御系统，其中过氧化氢酶（catalase，CAT）在分解过氧化氢（H2O2）方面发挥核心作用。
尽管 CAT 酶活性已在多种南极鱼类中被反复测定，但该酶在南极南极鱼科（notothenioid）鱼类中的分子表征此前尚属空白，其结构特性、基因表达模式和组织特异性调控机制均未被系统研究。这一知识缺口在气候快速变化的背景下尤为突出——南大洋正经历前所未有的升温和海洋热浪频率增加，这些条件可能加剧 ROS 产生并考验冷适应生物的抗氧化能力。因此，系统研究南极鱼类 CAT 的遗传和生理特征，对于理解抗氧化系统各组分间的复杂功能关系至关重要。
本研究选取两种具有对比生理特征的南极鱼类作为研究对象：红血物种祖母绿岩鳕（Trematomus bernacchii）和无血红蛋白的鳄冰鱼（Chionodraco hamatus）。冰鱼通过增加血容量、心输出量和线粒体密度来补偿血红蛋白缺失，而血红蛋白自身通过自氧化和芬顿反应是细胞内 ROS 的重要来源。这种生理对比为研究 CAT 分子特性、表达和酶活性是否受呼吸色素禀赋及相关氧化负荷调控提供了天然框架。
二、主要研究方法
研究人员综合运用了多项关键技术手段。首先，从南极罗斯海特拉诺瓦湾采集成年雌性 T. bernacchii（4尾）和 C. hamatus（4尾）个体，收集肝脏、鳃、心脏和骨骼肌组织。通过总 RNA 提取、cDNA 合成、PCR 扩增和 Sanger 测序获得 cat 转录本序列，并与已发表的两种鱼类转录组数据库比对以完善全长序列。系统发育分析采用贝叶斯推断（Bayesian inference，BI）和最大似然法（maximum likelihood，ML），模型选择分别使用 jModelTest2 和 ProtTest3。分子进化分析采用 PAML 软件包中的密码子模型（codeml）评估 dN/dS 比值，并辅以 HyPhy 中的混合效应模型（MEME）检测位点特异性选择信号。结构建模使用 SWISS-MODEL 基于共同模板 8HID 构建同源四聚体模型，静电表面势计算采用 PDB2PQR 和 APBS 求解非线性 Poisson–Boltzmann 方程，溶剂可及性用 FreeSASA 计算。基因表达水平通过定量实时 PCR（qRT-PCR）测定，以 β-actin 为内参基因；CAT 酶活性采用 Aebi 方案（1984）在 240 nm 波长下监测 H2O2 分解速率，蛋白含量用 Folin-Ciocalteu 法测定。
三、研究结果
3.1 T. bernacchii 和 C. hamatus cat 转录本的组成
T. bernacchii 的 cat 转录本全长 2549 nt，5′-UTR 和 3′-UTR 分别为 127 nt 和 838 nt，开放阅读框（open reading frame，ORF）为 1584 nt，编码 527 个氨基酸的蛋白质。3′-UTR 含有一个推定多聚腺苷酸化信号（AATAAA）和七个 AU 富集不稳定基序（ATTTA）。C. hamatus 的 cat 转录本全长 2600 nt，5′-UTR 和 3′-UTR 分别为 136 nt 和 880 nt，ORF 同样为 1584 nt，编码 527 个氨基酸。3′-UTR 含有一个多聚腺苷酸化信号和三个 ATTTA 基序。两种鱼类的 cat 均以单一转录本亚型存在。序列比对显示，T. bernacchii 与 T. hansoni 的 CAT 氨基酸序列一致性达 100%，与 C. hamatus 的一致性为 97%；与非南极物种相比，与 Oplegnathus fasciatus（鲈形目）的一致性最高（约 90%）。
3.2 多重比对、系统发育分析和分子建模
模型选择确定核苷酸和氨基酸序列的最佳替代模型分别为 GTR+I+G 和 JTT+I+G。系统发育分析表明，南极鱼类 CAT 聚为一支（后验概率 100%，自举值 100%），与鲈形目物种形成的姐妹群关系得到强支持。密码子分析显示，南极支系的 dN/dS 比值（ω = 0.384）显著高于非南极支系（ω = 0.073），似然比检验显著（p = 0.0051），但两个值均远低于 1，表明南极支系经历了松弛的纯化选择而非正选择。分支位点检验未检测到正选择位点，MEME 分析仅发现两个位于 N 端区域的密码子存在边缘性多样化选择信号。理化分析显示，20 个南极特异性氨基酸替换中，35% 涉及净电荷变化，50% 改变极性，30% 增加局部骨架柔性，其中两处涉及脯氨酸移除——这是冷适应的典型标志。静电表面分析表明，T. bernacchii 的 CAT 四聚体净分子电荷最负（约 ?7 e），表面形成连续负电荷区域；C. hamatus 和 C. gobio 接近电中性；R. canadum 为中等负电荷（约 ?3 e）；S. partitus 略偏正电荷（约 +3 e）。这种种间静电分化仅在四聚体组装后显现，单体间的净电荷差异不大。
3.3 cat 转录水平和 CAT 酶活性分析
qRT-PCR 结果显示，两种鱼类的 cat 转录本在肝脏中的积累量显著高于其他组织（p < 0.05），其他组织间的转录水平无显著差异。CAT 酶活性同样以肝脏最高（p < 0.05）：T. bernacchii 肝脏活性是鳃的 40 倍，C. hamatus 肝脏活性是心脏的 4 倍，两种鱼类的骨骼肌活性均最低。最大翻译指数分析表明，T. bernacchii 的 cat 转录本仅在肝脏中完全翻译为活性蛋白，其他组织的翻译指数低于 20%；而 C. hamatus 的最大翻译指数出现在心脏而非肝脏，仅在骨骼肌中低于 1。原始翻译效率比较显示，在心脏组织中，C. hamatus 每单位 cat mRNA 产生的 CAT 蛋白量是 T. bernacchii 的约 96 倍（360.7 vs 3.7 U CAT mg?1 蛋白/相对表达单位），而两种鱼类心脏中的 cat mRNA 水平并无显著差异，表明这一差异源于真正的翻译后调控效率差异。
四、讨论与结论
本研究首次对两种南极南极鱼科鱼类的 cat 转录本和 CAT 蛋白序列进行了分子表征，主要发现可归纳为三点。第一，cat 编码序列在南北极和非南极硬骨鱼中高度保守，催化中心、NADPH 结合位点和底物通道残基均无替换，符合强纯化选择对功能关键位点的约束。第二，比较静电表面建模揭示了物种特异的表面电荷极化模式，T. bernacchii 的 CAT 呈现最负的表面电荷，这与嗜冷蛋白中表面酸性残基增加以增强蛋白-溶剂相互作用、提高溶解度和低温下分子柔性的已知适应机制一致。C. hamatus 的 CAT 虽处于相同热环境却呈现近中性静电特征，可能与其缺乏血红蛋白、内源性 ROS 负荷较低有关。第三，组织特异性分析表明肝脏是 cat 转录积累和酶活性的主要部位，而多个非肝组织呈现低于 1 的翻译指数，提示存在通过 mRNA 封存实现的转录后调控机制。
研究人员指出，南极支系中 cat 基因在表面暴露位点经历了松弛的纯化选择，这与表面电荷重塑和骨架柔性增加的理化特征相符，但分支位点检验和 MEME 分析排除了强正选择的存在。冰鱼心脏中极高的 CAT 翻译效率（约为红血物种的 96 倍）可能反映了无血红蛋白生理对心血管系统的极端需求——冰鱼心脏占体重比例高达 0.35%，心输出量比同体型红血物种高 5–7 倍，由此产生的高有氧负荷和线粒体 ROS 产生可能选择性偏好高效的 CAT 翻译。在非肝组织中，转录水平与活性蛋白水平的脱钩可能涉及多种机制，包括蛋白周转差异、翻译后修饰、过氧化物酶体导入效率、血红素辅因子可用性以及翻译沉默 mRNA 在细胞质核糖核蛋白颗粒中的储存。研究人员同时承认样本量（每物种 4 尾）受限是本研究的主要局限，建议未来通过多聚核糖体分析、RNA 荧光原位杂交共定位和蛋白周转实验来区分这些机制。该论文发表于《Comparative Biochemistry and Physiology Part B: Biochemistry and Molecular Biology》。
