近日，中国科学院深海科学与工程研究所和水生生物研究所何舜平团队，在《Water Biology and Security》期刊上发表了一项研究成果《Lipidome and proteome analyses provide insights into Mariana Trench Snailfish (Pseudoliparis swirei) adaptation to the hadal zone》，详细揭示了马里亚纳海沟狮子鱼（Pseudoliparis swirei）如何通过调节脂质和蛋白质的代谢机制，成功适应全球最深的海洋环境。首次通过对脂质组和蛋白质组的联合分析，研究团队揭示了该鱼类如何在极端的高压、低温和食物匮乏环境中生存的关键分子机制。
挑战重重的深渊带环境
马里亚纳海沟位于地球最深处，常年处于黑暗中，极高的水压和低温对生物的生存构成巨大挑战。水深每下降10米，水压便增加0.1兆帕（MPa），对大多数生物的细胞过程如分裂、代谢等造成了极大干扰。此前，该团队已经在基因组和转录组水平上对深渊狮子鱼的适应性机制进行了详细的探讨，但在脂质代谢组和蛋白质组水平上目前还未有相关研究。
能量储存与利用机制的突破
深海鱼类普遍具有较大的肝脏组织，尤其是深渊狮子鱼膨大的肝脏特别引人注目。该研究中，科研团队对捕获于马里亚纳海沟不同深度（2,027至7,125米）的五种深海鱼类（包括Bathysaurus mollis、Coryphaenoides rudis、Ilyophis sp.、I. brunneus以及马里亚纳海沟狮子鱼（MHS）的肝脏组织脂质代谢组和蛋白质组进行了深入的分析，揭示了深渊狮子鱼独特的生存策略。研究检测了8个大类，36个亚类的脂质分布，结果表明MHS与其他四种深海鱼类的总脂质水平相当，三酰基甘油（TG）作为主要的能量储备，在深海鱼类脂质组中均占据主导地位。此外，自由脂肪酸（FFA）、胆固醇及其酯类（CE，胆固醇）、磷脂和二酰基甘油（DG）也是深海鱼类肝脏中主要的脂质成分。磷脂和甾醇是膜结构的重要组成部分，而自由脂肪酸对于深海鱼类的细胞调节至关重要。研究发现，马里亚纳狮子鱼通过显著增加肝脏中的胆固醇酯（CE）、醚键三酰基甘油（TG-O）、辅酶Q（CoQ）和ATP酶含量，帮助其在食物匮乏的条件下储存和有效利用能量。这种机制极大地延长了狮子鱼在深海环境中的生存能力，尤其是在长时间禁食的情况下，这些分子储备可被分解用于提供能量。
维持高压下细胞膜的流动性
此外，与其他深海鱼类相比，深渊狮子鱼表现出脂肪酸代谢路径的显著差异，特别其肝脏中含有更高比例的不饱和脂肪酸，进一步的脂质链长度分析表明，深海鱼类肝脏中某些脂质的脂肪酸链长度趋向于更长。在高压环境下，保持膜流动性对于深海生物的生存至关重要，膜的刚性主要通过胆固醇和磷脂酰乙醇胺（PE）调控，另外PE与磷脂酰胆碱（PC）的比值，也可以指示出膜的流动性。该研究发现，在五种深海鱼类的肝脏组织中，MHS肝脏中的胆固醇和PE含量占总脂质的比率显著降低，且深渊狮子鱼肝脏中PE与PC比值显著降低。表明MHS优化了脂质比例，以在极端高压下维持高膜流动性，保障细胞功能和生存。
应对氧化应激的强大防御机制
深海环境中的食物匮乏和高压条件会增加细胞内自由基的产生及氧化应激风险，研究发现，马里亚纳狮子鱼可以通过一系列抗氧化机制有效减少了氧化损伤。多不饱和脂肪酸和磷脂酰乙醇胺（PE）更容易氧化，这加剧了细胞的脆弱性，导致细胞损伤和死亡。研究表明，深渊狮子鱼类通过增加单不饱和脂肪酸含量同时减少多不饱和脂肪酸含量，并降低磷脂酰乙醇胺（PE）等容易氧化的脂质比例，有效降低了脂质过氧化的风险。此外，狮子鱼肝脏中转铁蛋白（Transferrin）和热休克蛋白（HSPs）的显著高表达，进一步增强了其对抗氧化应激的能力。转铁蛋白能够有效调节体内的铁平衡，防止自由铁引发的氧化应激，而热休克蛋白则在极端压力下帮助蛋白质折叠和修复，是细胞生存的关键。
深海适应的分子机制揭示更多适应性进化
本次研究不仅揭示了狮子鱼在深海环境中的适应机制，还为深海鱼类在营养匮乏和极端环境中如何通过代谢调节来应对挑战提供了重要线索。研究显示，马里亚纳狮子鱼的脂质代谢路径与胆固醇代谢、脂肪消化吸收、膜流动性调节等密切相关，尤其是通过调节胆固醇和磷脂的含量，使其在高压环境下能够保持细胞膜的流动性。此外，研究团队还发现，该鱼类的胰岛素抵抗途径在深海适应中发挥了重要作用，可能通过促进脂肪生成来应对长期的营养匮乏。这一发现进一步揭示了深海鱼类如何在长期的生存压力下进行能量保留与代谢调节。
图1. 五种深海鱼类的采样地点
图2. MHS肝脏组织的脂质组和蛋白质组分析揭示适应机制
图3. MHS与其他四种深海鱼类间具有显著差异的脂质代谢物
图4. MHS与其他四种深海鱼类脂质代谢差异的KEGG富集分析
未来展望：为深海生物适应性研究开辟新方向
该项研究的结果为深海生物对深渊环境的适应机制研究提供新的视角。研究团队指出，未来将通过进一步探测更多深海鱼类的脂质组和蛋白质组，深入研究不同深度环境中的生物适应性。
该研究由中国科学院战略性优先研究计划和国家自然科学基金支持，中科院深海所徐涵博士为本研究的第一作者，何舜平研究员为本研究的通讯作者。
文章链接:https://doi.org/10.1016/j.watbs.2024.100295
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