海洋所在牡蠣溫度適應(yīng)信號(hào)級(jí)聯(lián)通路方面獲新進(jìn)展
近日,中國(guó)科學(xué)院海洋研究所貝類適應(yīng)進(jìn)化與遺傳育種團(tuán)隊(duì)在牡蠣溫度適應(yīng)相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路方面獲得系列進(jìn)展,研究成果相繼發(fā)表于國(guó)際學(xué)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(guó)貝類養(yǎng)殖的傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)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(gè)挑戰(zhàn)牡蠣養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的重要問(wèn)題,研究耐溫機(jī)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(jī)制復(fù)雜,過(guò)往研究顯示能量代謝、細(xì)胞凋亡等多個(gè)生理代謝過(guò)程參與其中,并對(duì)眾多下游效應(yīng)基因開(kāi)展了功能解析,但一直缺乏上游級(jí)聯(lián)信號(hào)通路的認(rèn)知。蛋白磷酸化作為一種廣泛研究的蛋白翻譯后修飾,通過(guò)影響蛋白結(jié)構(gòu)、細(xì)胞定位以及互作等介導(dǎo)生物的應(yīng)激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),但其在海洋生物研究較為薄弱。
研究團(tuán)隊(duì)前期基于長(zhǎng)牡蠣(相對(duì)熱敏感)和福建牡蠣(相對(duì)熱耐受)熱脅迫磷酸化蛋白組學(xué)發(fā)現(xiàn)高溫通過(guò)蛋白磷酸化調(diào)控能量代謝和細(xì)胞凋亡介導(dǎo)二者耐熱性分化(Ecotoxicology and Environmental Safety,2023)。后續(xù)研究中,團(tuán)隊(duì)鎖定糖酵解關(guān)鍵限速酶—丙酮酸激酶(PK),細(xì)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(kāi)展了磷酸化功能及上游調(diào)控通路解析。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)抗性評(píng)估常用指標(biāo)——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(shí)驗(yàn)證實(shí)軟體動(dòng)物保守Ser11位點(diǎn)磷酸化可以增強(qiáng)其與底物結(jié)合能力進(jìn)而顯著提升PK酶活,最終促進(jìn)ATP合成以用于熱損傷修復(fù)。經(jīng)典MAPK/ERK通路通過(guò)磷酸化該位點(diǎn)進(jìn)而介導(dǎo)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(píng)估
團(tuán)隊(duì)針對(duì)差異磷酸化的Caspase開(kāi)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(zhǎng)亞基間連接域(IL)并且長(zhǎng)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(diǎn)位于長(zhǎng)IL中并抑制其熱誘導(dǎo)裂解活化。經(jīng)典PI3K-AKT通路直接磷酸化該位點(diǎn)從而調(diào)控長(zhǎng)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(diǎn)磷酸化水平響應(yīng)高溫并在福建牡蠣中呈現(xiàn)更強(qiáng)的上調(diào)趨勢(shì)。已知后生動(dòng)物免疫明星通路——NF-κB信號(hào)通路的核心調(diào)控機(jī)制是IKK激酶磷酸化IκB的Ser32和Ser36位點(diǎn),進(jìn)而促進(jìn)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(diǎn),這暗示牡蠣NF-κB通路中可能存在新型磷酸化調(diào)控機(jī)制。團(tuán)隊(duì)后續(xù)研究結(jié)果證實(shí)牡蠣主效IκBα的Ser74是一個(gè)全新的牡蠣特異性熱誘導(dǎo)磷酸化位點(diǎn),該位點(diǎn)可以繞過(guò)S32和S36位點(diǎn)獨(dú)立介導(dǎo)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(diǎn),并通過(guò)促進(jìn)REL核轉(zhuǎn)位來(lái)激活細(xì)胞存活、脂肪酸代謝、蛋白翻譯和抗氧化基因表達(dá)以調(diào)控長(zhǎng)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(bào)道了多個(gè)海洋軟體動(dòng)物特異性的通路間串?dāng)_(Cross-talk)機(jī)制,進(jìn)一步揭示海洋無(wú)脊椎動(dòng)物中存在復(fù)雜且獨(dú)特的磷酸化調(diào)控網(wǎng)絡(luò),其可能區(qū)別于模式動(dòng)物中已建立的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制,并為后續(xù)牡蠣耐溫性遺傳改良提供分子靶標(biāo)。
中國(guó)科學(xué)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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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