海洋所在牡蠣溫度適應信號級聯(lián)通路方面獲新進展
近日,中國科學院海洋研究所貝類適應進化與遺傳育種團隊在牡蠣溫度適應相關(guān)信號轉(zhuǎn)導通路方面獲得系列進展,研究成果相繼發(fā)表于國際學術(shù)期刊iScience,?Communications Biology和Cell Communication and Signaling。
牡蠣是世界性養(yǎng)殖貝類,也是我國貝類養(yǎng)殖的傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)。近年來在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)的周期性夏季大規(guī)模死亡已成為一個挑戰(zhàn)牡蠣養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的重要問題,研究耐溫機制是解決上述產(chǎn)業(yè)難題的重要途徑。海洋生物高溫抗性機制復雜,過往研究顯示能量代謝、細胞凋亡等多個生理代謝過程參與其中,并對眾多下游效應基因開展了功能解析,但一直缺乏上游級聯(lián)信號通路的認知。蛋白磷酸化作為一種廣泛研究的蛋白翻譯后修飾,通過影響蛋白結(jié)構(gòu)、細胞定位以及互作等介導生物的應激信號轉(zhuǎn)導,但其在海洋生物研究較為薄弱。
研究團隊前期基于長牡蠣(相對熱敏感)和福建牡蠣(相對熱耐受)熱脅迫磷酸化蛋白組學發(fā)現(xiàn)高溫通過蛋白磷酸化調(diào)控能量代謝和細胞凋亡介導二者耐熱性分化(Ecotoxicology and Environmental Safety,2023)。后續(xù)研究中,團隊鎖定糖酵解關(guān)鍵限速酶—丙酮酸激酶(PK),細胞凋亡關(guān)鍵執(zhí)行者—半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶3(Caspase3)和NF-κB通路核心調(diào)控因子—NF-κB抑制蛋白(IκBα)開展了磷酸化功能及上游調(diào)控通路解析。
研究團隊發(fā)現(xiàn)抗性評估常用指標——PK的Ser11磷酸化水平在福建牡蠣熱脅迫下顯著上調(diào),基于體內(nèi)和體外分子及生化實驗證實軟體動物保守Ser11位點磷酸化可以增強其與底物結(jié)合能力進而顯著提升PK酶活,最終促進ATP合成以用于熱損傷修復。經(jīng)典MAPK/ERK通路通過磷酸化該位點進而介導二者熱脅迫下差異能量代謝能力[1]。

PK Ser11磷酸化與底物互作能力評估
團隊針對差異磷酸化的Caspase開展系統(tǒng)發(fā)育分析,發(fā)現(xiàn)雙殼綱和腹足綱中存在一類特異的Caspase-3/6/7蛋白,其具有長亞基間連接域(IL)并且長IL可以抑制其裂解激活。之前鑒定到的牡蠣保守Thr260磷酸化位點位于長IL中并抑制其熱誘導裂解活化。經(jīng)典PI3K-AKT通路直接磷酸化該位點從而調(diào)控長牡蠣和福建牡蠣熱脅迫下差異凋亡[2]。
研究還發(fā)現(xiàn)NF-κB/IκB蛋白的Ser74位點磷酸化水平響應高溫并在福建牡蠣中呈現(xiàn)更強的上調(diào)趨勢。已知后生動物免疫明星通路——NF-κB信號通路的核心調(diào)控機制是IKK激酶磷酸化IκB的Ser32和Ser36位點,進而促進其泛素化-蛋白酶體降解和REL轉(zhuǎn)錄因子核轉(zhuǎn)位及轉(zhuǎn)錄激活,而Ser74區(qū)別于上述保守位點,這暗示牡蠣NF-κB通路中可能存在新型磷酸化調(diào)控機制。團隊后續(xù)研究結(jié)果證實牡蠣主效IκBα的Ser74是一個全新的牡蠣特異性熱誘導磷酸化位點,該位點可以繞過S32和S36位點獨立介導IκBα泛素-蛋白酶體降解和熱穩(wěn)定性降低。經(jīng)典MAPK/ERK通路直接磷酸化該位點,并通過促進REL核轉(zhuǎn)位來激活細胞存活、脂肪酸代謝、蛋白翻譯和抗氧化基因表達以調(diào)控長牡蠣和福建牡蠣熱脅迫下差異存活[3]。

牡蠣MAPK/ERK/IκBα/REL調(diào)控軸
上述研究結(jié)果首次報道了多個海洋軟體動物特異性的通路間串擾(Cross-talk)機制,進一步揭示海洋無脊椎動物中存在復雜且獨特的磷酸化調(diào)控網(wǎng)絡(luò),其可能區(qū)別于模式動物中已建立的信號轉(zhuǎn)導機制,并為后續(xù)牡蠣耐溫性遺傳改良提供分子靶標。
中國科學院海洋研究所博士后王朝剛為上述文章第一作者,在讀博士生杜明洋和姜祝祥分別為論文共同第一作者,李莉研究員為通訊作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、山東省重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目的共同資助。
論文信息:
[1] Wang,C. et al. MAPK/ERK-PK(Ser11) pathway regulates divergent thermal metabolism of two congeneric oyster species. iScience,?27,110321,doi:10.1016/j.isci.2024.110321 (2024).
[2] Wang,C. et al. PI3K-AKT-mediated phosphorylation of Thr260 in CgCaspase-3/6/7 regulates heat-induced activation in oysters. Communications Biology,?7,1459,doi:10.1038/s42003-024-07184-4 (2024).
[3] Wang,C. et al. Novel Ser74 of NF-κB/IκBα phosphorylated by MAPK/ERK regulates temperature adaptation in oysters. Cell Communication and Signaling,?22,539,doi:10.1186/s12964-024-01923-0 (2024).
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