外套膜富集长链非编码RNA可能调控马氏珠母贝壳形成过程中的Smad1/5信号通路

《Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology》：A mantle-enriched lncRNA7379 potentially modulates Smad1/5 signaling during shell formation in Pinctada fucata martensii

- 鉴定出一个在珍珠贝（*Pinctada fucata martensii*）中外套膜富集且对贝壳损伤和热胁迫具有动态表达响应的长链非编码RNA（lncRNA7379），提示其可能参与与外套膜相关的生物学过程。- lncRNA7379作为贝壳形成负调控因子的功能证据：RNA干扰介导的敲低改变了贝壳超微结构（珍珠层不规则化和方解石层孔隙率增加），并显著上调了关键生物矿化基因MSX和Smad1/5。- lncRNA7379与Smad1/5的分子互作：过表达在mRNA和蛋白水平上均降低了Smad1/5的表达，且RIP实验证实了两者之间的物理结合，支持其在贝壳生物矿化中调控Smad信号通路的机制关联。## 引言生物矿化是生物体产生具有复杂结构和功能特性的矿物化结构的基本生物学过程。在软体动物中，贝壳的形成是生物矿化的典型范例，涉及外套膜组织分泌的有机基质内碳酸钙的受控沉积。该过程由一系列生物分子进行精密调控，包括壳基质蛋白和协调矿物成核、晶体生长及结构组织的调控因子（Hu et al., 2025）。珍珠贝（*Pinctada fucata martensii*）广泛分布于西太平洋地区，是研究软体动物生物矿化的重要模式生物。其在珍珠生产中的经济价值以及结构明确的贝壳，使其成为探究贝壳形成分子机制的理想体系。先前的研究已鉴定出参与该过程的多种壳基质蛋白和信号通路，但控制这些蛋白表达的调控网络尚未被充分阐明（Song et al., 2019）。尽管在壳基质蛋白和转录调控因子于贝壳发育中的作用方面取得了一定进展，但对于编码壳基质蛋白的基因及其自身调控转录因子如何被控制的机制，目前知之甚少。缺乏珍珠贝外套膜细胞系以及现有原代外套膜细胞培养难以转染，是造成这一知识空白的主要原因。近年来，随着测序技术和大数据分析平台的进步，现已能够鉴定和预测双壳纲生物矿化分子机制中的关键调控元件。大量基础研究和临床研究跨多种物种开展，表明lncRNA正成为发育、分化和代谢等多种生物学功能中的关键基因调控因子（Lin et al., 2018; Herman et al., 2022; Kim et al., 2023）。长链非编码RNA（lncRNAs）被定义为长度超过200个核苷酸且不具有蛋白质编码潜力的转录本，已逐渐被确认为在转录水平和转录后水平调控基因表达的重要因子（Statello et al., 2021）。它们通常具有组织特异性表达模式和对外界环境及发育信号的动态响应（Gloss and Dinger, 2016）。在各种生物系统中，lncRNAs通过与DNA、RNA和蛋白质的相互作用，调控细胞分化、发育和应激响应（Martianov et al., 2007; Cheetham et al., 2013; Li et al., 2020）。脊椎动物系统的先前研究已表明lncRNAs参与骨骼发育和矿化组织形成（Huang et al., 2015; Zhuang et al., 2015; Gao et al., 2018; Yin et al., 2019; Sun et al., 2019; Zhang et al., 2019; Fu et al., 2019）。然而，由于脊椎动物骨骼与软体动物贝壳在进化起源和分子机制上存在显著差异，这两类系统之间的直接比较仍然有限。因此，有必要在软体动物生物矿化背景下专门研究lncRNA的功能，而非从脊椎动物模型进行简单外推。在软体动物中，新兴证据表明lncRNAs参与贝壳生物矿化以及发育、免疫和环境适应（Li et al., 2025）。在珍珠贝中，lncRNA7467被证实为外套膜富集、对贝壳修复具有响应性，且功能上与贝壳微结构相关，而LncMPEG1则将环境应激响应与生物矿化相关表型联系起来（Zhang et al., 2022a; Cai et al., 2022）。最近，一项跨双壳纲的比较研究鉴定出与贝壳生长和碳酸钙晶体组织相关的顺式调控lncRNAs，进一步支持lncRNAs作为双壳纲生物矿化调控体系组成部分的地位（Peng et al., 2024）。然而，将单个lncRNA与保守的生物矿化信号介导因子相联系的蛋白质中心机制仍未被充分表征。特别是，外套膜富集的lncRNA能否与珍珠贝的BMP/SMAD调控轴相关联，目前尚未解决。在本研究中，我们从珍珠贝外套膜转录组数据中鉴定出一个新型lncRNA——lncRNA7379。我们表征了其在不同组织和不同生理条件（包括贝壳损伤和热胁迫）下的表达模式。此外，我们利用RNA干扰和分子互作实验探究了它的亚细胞定位及潜在功能作用。本研究并非旨在确立其确定性功能角色，而是探索lncRNA7379参与贝壳形成相关调控通路的可能性，为未来机制研究奠定基础。## 各章节摘要### 实验动物实验用珍珠贝（*Pinctada fucata martensii*）幼体（约1龄；壳长：45.49 ± 0.31）购自中国科学院深圳中国科学院海洋生物研究所。实验前，将牡蛎在28–30°C、盐度30‰、pH 8.1的充气海水中驯化一周。驯化期间每日投喂湛江金藻（*Dicrateria zhanjiangensis*）进行饲养。海水持续充气，并定期更换容器内三分之一的水量。### lncRNA7379在各组织中的表达谱为鉴定与贝壳形成相关的候选lncRNAs，利用CNCI、CPAT和CPC算法对转录组数据集进行分析（补充表2），预测非编码转录本。lncRNA7379（635 bp）因其与壳基质蛋白相关基因的共表达模式而被选定。RT-qPCR分析显示，lncRNA7379在多种组织中广泛表达，其中在外套膜中表达量最高（图1）。中等水平的表达在……（原文截断）### 讨论本研究鉴定出lncRNA7379为珍珠贝中与贝壳形成相关的外套膜富集lncRNA，并提供了将其与PfSmad1/5相关调控网络联系起来的证据。外套膜是贝壳形成过程中分泌有机基质和碳酸钙的主要组织，许多壳基质蛋白和转录调控因子均表现为外套膜偏好性表达（Song et al., 2019）。因此，lncRNA7379在外套膜中的强烈富集……（原文截断）### 结论本研究鉴定出lncRNA7379为珍珠贝中响应贝壳损伤和高温胁迫的外套膜富集lncRNA。RNA干扰和互作实验表明，lncRNA7379与贝壳微结构相关，能够负向调控Smad1/5的丰度，支持其参与与贝壳生物矿化相关的调控网络。### CRediT作者贡献声明**张华**：撰写–初稿、实验、基金获取、数据管理、概念构思。**徐含之**：实验、形式分析。**司梦茹**：可视化、验证。**何茂贤**：撰写–审阅与编辑、项目管理、基金获取、概念构思。### 利益冲突声明作者确认不存在可合理被认为可能影响本文研究或结论的财务利益冲突或个人关系。### 致谢本研究得到国家自然科学基金（批准号42006106）、广东省现代农业产业技术体系贝藻产业创新团队（批准号2024CXTD23）、2025年广东省现代海洋牧场候选品种育种技术研究（2025-MRB-00-001）、广东省科技计划项目（2023B1212060047）、广东省自然科学基金（2023A1515030295）资助。### 动物实验本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南执行。本研究经中国科学院南海海洋研究所科研伦理（学术诚信）与学术规范委员会批准。---张华 | 徐含之 | 司梦茹 | 何茂贤