PNAS | 代谢组+转录组揭示生物脱水胁迫耐受性的关键分子机制

发稿时间：2020-09-03来源：天昊生物

题目：Combined metabolome and transcriptome analysis reveals key components of complete desiccation tolerance in an anhydrobiotic insect

代谢组和转录组联合分析揭示脱水的昆虫完全脱水耐受性的关键组分

发表期刊：Proc Natl Acad Sci U S A.

发表时间：2020-8-11

影响因子：9.412

一些生物已经进化出一种能够抵抗严重脱水的生存技巧。摇蚊幼虫是昆虫中唯一观察到有低湿隐生（anhydrobiosis）现象的物种。最近的研究使人们对低湿隐生和特定保护蛋白作用的分子机制有了更好的理解。然而，基因调控本身并不能解释快速的生化反应和独立的代谢变化，而这些反应和变化有望维持低湿隐生。为此，本研究对摇蚊幼虫进行了代谢组和转录组的全面比较分析。结果表明脱水的幼虫采用了独特的代谢策略来应对完全脱水情况以及在复水后的恢复。研究者认为海藻糖（trehalose），以前以其脱水保护特性而闻名，由于它在复水的早期恢复阶段，通过戊糖磷酸途径提供了能量的主要来源和抗氧化能力，而发挥了额外的重要作用。因此，幼虫的生存能力可能直接取决于碳水化合物(糖原和海藻糖)的总量。此外，在低湿隐生的脱水状态下，能量以柠檬酸盐和腺苷磷酸的形式储存累积，使得在复水之后，糖酵解完全发挥作用之前，柠檬酸循环和线粒体活性迅速重新激活。对脱水的其他适应机制还包括潜在的抗氧化剂和通过将有毒代谢物转化为稳定和惰性的物质(如黄嘌呤酸和尿囊素)来避免其积累的措施。最后，本研究证实了这些代谢适应与相应酶基因的独特组织和表达相关。

用于代谢组分析的幼虫根据在干燥器中处理的时间(h) (D48: 48-h干燥处理)或复水的时间(R3: 3-h复水处理)进行取样；未处理的湿幼虫用作对照(D0)。每次处理使用50只幼虫。代谢组分析用三个生物重复进行。对幼虫进行代谢物的、测量后，进行主成分分析。使用ANOVA方法进行统计分析，以确定至少在一个时间点发生显著变化的代谢物。对于时间点之间的成对比较，应用了Fischer检验。为了重建代谢途径和与转录组学数据整合，研究者使用了KEGG通路数据库对双翅目现有物种进行了分析。转录组分析取了表征脱水-复水过程的五个代表性时间点((D0、D24、D48、R3和R24)(重复三次)制备幼虫样品，之后进行标准的转录组检测。

后续还进行了海藻糖定量、糖原定量、海藻糖酶抑制剂处理幼虫等实验。

代谢图谱检测到266种代谢物(124种阳离子模式的代谢物和142种阴离子模式的代谢物)，涉及三种测试的生理状态：未处理(D0)、脱水48 h(D48)和复水3 h(R3)。

主成分分析显示，前两个主成分占总差异的77%。PC1占43.9%，而PC2占33.1%(图1A)。PC1值高的代谢物在脱水中至少一个阶段显示浓度显著增加(图1B)。

摇蚊幼虫的代谢图谱揭示了各种碳水化合物中间体水平发生显著扰动(图2)。

实验数据表明幼虫中存在的大多数糖原在脱水过程中被降解产生海藻糖(图3 A，左)。当幼虫经历连续的脱水和复水循环，而在复水阶段没有进食时，这种现象更明显(图3B)。最终发现海藻糖在脱水及复水中的作用：快速恢复新陈代谢的最佳能量来源。

幼虫脱水过程最明显的特征之一是脱水过程中腺苷酸和5’-二磷酸腺苷(ADP)的积累(图5A)，干燥状态下的腺苷酸能荷比降至仅0.6(图5B)，这是一个通常在压力条件下观察到的值。值得注意的是，正常的呼吸和线粒体活性，如高AEC比率所表明的，一直持续到脱水的最后几个小时，并在再水合的第一个小时内迅速恢复(图5B)。

相关氨基酸降解产物水平的变化暗示了无毒代谢物和抗氧化剂的积累。例如尿酸、尿囊素和尿囊酸，都是在脱水期间丰度增加最多的中间产物(图6A)，在转录组检测中，尿酸酶编码基因在脱水24小时后显著上调(图6A)。谷胱甘肽合成的主要中间体γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-Glu-Cys)的含量在脱水幼虫的复水过程中明显高于对照幼虫(图6B)。在脱水过程中，KYN水平显著增加了约26倍(图6C)。

在脱水和复水过程中，摇蚊幼虫的代谢及转录变化主要为：1)海藻糖是该过程能量来源，氧化还原能力支持复水幼虫的恢复；2)积累的柠檬酸盐和AMP有利于早期复水过程中能量代谢的恢复；3)积累的OA、XA、尿囊素和多胺可作为抗氧化剂或无毒替代物。这些假设为进一步研究低湿隐生的机制以及脱水工程和干燥贮藏应用提供了新的途径。