MOL BIOL EVOL：税光厚/孟凡伟团队合作揭示穴居鱼类的神经和全身脂质代谢途径的洞穴适应
2022年3月，中科院遗传发育所、中科院动物研究所、中科脂典等单位的相关研究人员在生物进化领域知名刊物《Molecular Biology and Evolution》（IF: 16.3）上发表了题为“Quantitative lipidomics and spatial MS-Imaging uncovered neurological and systemic lipid metabolic pathways underlying troglomorphic adaptations in cave-dwelling fish”的研究论文，揭示了洞穴金线鲃在其特殊生存环境下的脂类代谢适应的主要途径。（中科院遗传发育所客座研究人员Lam Sin Man博士和博士生李婕为本文共同第一作者。）
金线鲃洞穴鱼和地表鱼四个脑区表现出脂质组的区域特异性变化
洞穴金线鲃表现出进化过程中的神经脂质代谢可塑性，如增强氧化磷酸化、减少DHA生物合成和膜掺入、中缝5-HT能神经元的脱髓鞘
大脑和肝脏中脂肪动员/线粒体β-氧化途径相关基因的表达与对栖息地的代谢适应有关
5-羟色胺（5-HT）受体（5-HTR）不同亚型介导的5-HT信号通路在系统发育上是保守的。异常的5-HT信号与包括抑郁症和精神分裂症在内的多种神经系统疾病有关。由于膜脂微环境可能会改变受体-配体结合效率并进一步影响其活性，那么神经脂膜重塑的动态变化可能为调节5-HT信号转导提供了快速途径。
研究人员首先进行了脑转录组的基因集富集分析 (GSEA) 以研究金线鲃地表鱼和洞穴鱼两个种群之间 KEGG 通路的差异。GSEA结果显示，洞穴鱼脑中的花生四烯酸（ARA）代谢通路和氧化磷酸化代谢通路相对于表层鱼增强。然后，研究人员使用靶向 LC-MS/MS 方法分析了这两个种群的全脑脂质组。结果表明，地表鱼脑中复杂糖鞘脂显著升高。脂质相关性分析显示，洞穴鱼大脑中储存的甘油三酯 (TAGs) 和线粒体驻留心磷脂 (CLs) 之间存在强烈的负相关，而地表鱼中不存在这种相关性。这意味着洞穴鱼存储的 TAGs 向游离脂肪酰的动员增强，同时这些脂肪酰通过脑中的线粒体氧化磷酸化途径被消耗。因此，脂质相关性分析证实了基于 GSEA 通路分析的结果，即洞穴鱼脑中的氧化磷酸化增强。此外，已有研究发现，增强的神经氧化磷酸化代谢与攻击性行为呈负相关，这与我们研究的洞穴无眼金线鲃的行为特征相符。
洞穴鱼和地表鱼全脑转录组和脂质组的变化
为了阐明脂质代谢和空间脂质分布的区域特异性差异，研究人员随后对每个种群的全脑进行了系统的横向切片。脑切片按纵轴位置分为四个主要脑区，即端脑（Tel）、视顶盖（TeO）、小脑体（CC）和延髓（MO）。在硬骨鱼中，5-HT能神经元主要存在于后脑中缝核和位于前脑的三个下丘脑核中。定量脂质组学结果显示，在所有四个脑区中，地表鱼中含有ARA的膜磷脂含量相对于洞穴鱼都有所降低。相比之下，其他脂质类别表现出区域特异性变化，研究人员注意到，与ARA相反，洞穴鱼TeO和CC中的二十二碳六烯酸（DHA）水平相较于地表鱼显著降低。
洞穴鱼和地表鱼四个脑区脂质组的区域特异性变化
与定量脂质组学结果一致，脑切片的空间质谱成像(MSI)结果显示，ARA-磷脂，如PC 36:4和PC 38:4，在来自TeO、CC和MO区域的洞穴鱼切片中都有所增加。另一方面，与地表鱼相比，洞穴鱼的DHA-磷脂，如PC40:6、PC38:6和PE40:6含量显著减少。DHA 可能对地表鱼的小脑功能至关重要，而小脑功能在洞穴鱼进化中的重要性可能会降低。
洞穴鱼和地表鱼四个脑区空间脂质分布的质谱成像
与地表鱼相比，洞穴鱼的全眼和全肝样本中ARA-磷脂优先于DHA-磷脂的积累也得到了验证。洞穴鱼的眼睛和肝脏中的ARA-PCs相较于地表鱼显著富集，这可能会驱动洞穴鱼进化过程中视力丧失的神经可塑性，因为视力在永久黑暗的外部环境中不再是生存所必需的，此外，眼睛退化和视力丧失也会节约能量，以最大限度地在食物匮乏的洞穴环境中生存。
研究人员还观察到，相较于地表鱼，洞穴鱼肝脏中TAG显著积累，缩醛磷脂酰胆碱 (PCp) 水平升高，这被认为是一种“能量保险”，以缓冲洞穴中食物匮乏的情况。此外，金线鲃洞穴鱼中还观察到了脂肪肝，体内脂肪含量升高可能使它们能够耐受长时间的营养缺乏。
洞穴鱼和地表鱼全眼和全肝的脂质组变化
硫苷脂 (SLs)与其代谢前体半乳糖基神经酰胺 (GalCer) 一起构成了确保髓鞘正常结构和功能属性的主要脂质成分。基于先前MSI 结果显示的地表鱼与洞穴鱼脑切片SLs的富集区域， 研究人员又进行了髓鞘碱性蛋白的免疫染色和后脑CC区域的透射电子显微镜（TEM）图像分析，结果表明，相对于洞穴鱼，金线鲃地表鱼在后脑区域的中缝 5-HT能神经元群体髓鞘化程度更高，洞穴鱼在它们的中缝5-HT能神经元中出现了选择性脱髓鞘作用，而下丘脑5-HT能神经元没有此现象。
洞穴鱼脑中缝5-羟色胺能神经元脱髓鞘
最后，为了阐明洞穴鱼和地表鱼之间差异脂质代谢的候选基因，研究人员检测了DHA生物合成/摄取、磷脂重塑、脂肪动员、线粒体和过氧化物酶体β-氧化途径中基因的相对表达情况，以及大脑和肝脏中的缩醛磷脂生物合成过程。结果表明，表层鱼通过 Δ4 去饱和酶途径增强大脑中的 DHA 生物合成，并依赖于 Sprecher 途径（elovl2、elovl5、acox1）来增强肝脏中的 DHA 生物合成。洞穴鱼的脂肪肝可能是由于脂肪酰的动员和氧化减弱所致，表现在脂肪动员相关基因（pnpla2、lipea、lipeb、dagla 和 mgll）以及参与线粒体 β 氧化相关基因（cpt1ab、hadhaa、cpt2、decr1和acox1）的表达显著降低。
大脑和肝脏中基因的 mRNA 表达水平与洞穴鱼和地表鱼类对其不同栖息地的代谢适应有关
综上所述，该研究通过将定量脂质组学与空间MSI相结合，发现洞穴金线鲃的神经脂质代谢可塑性，尤其是增强氧化磷酸化、减少DHA生物合成和膜掺入、中缝5-HT能神经元的脱髓鞘等过程可能有助于穴居行为适应，消除洞穴鱼不必要的形态和行为特征（例如高级眼部功能和社会行为的丧失），这有助于减少能量消耗，在食物供应不规律的洞穴环境中赋予其生存选择优势。
洞穴鱼和地表鱼在大脑和肝脏中对其独特环境进行代谢适应的主要途径
