咨询热线:400-065-6886   天昊基因

中文 / English

主页 > 技术支持 > 科研进展 >

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


上海天昊生物 
 
 
 
代谢组学是对生物体在某一时刻所有代谢物的集合进行定量分析的一门学科,转录组学研究的则是细胞中的基因转录情况及转录调控规律。代谢组学与转录组学技术的结合,可以让我们能够从海量的组学数据中,更加容易的寻找到一些生物变化过程(例如个体发育过程、干旱高温等非生物胁迫、各类药物试剂处理、病原微生物侵害等)相关的关键组分信息,为阐明分子机制提供高效的解决方案。今天就跟大家介绍一篇刚刚发表在PNAS上非常有代表性的研究,本文通过对这两种组学获得数据的联合分析,成功的寻找到摇蚊幼虫脱水及复水过程的关键耐受性分子组分。
 

 

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

 

研究摘要

    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。

 

 

研究方法

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((D0D24D48R3R24)(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。

 

 

研究结果

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)。

 



1、脱水和复水摇蚊幼虫的代谢组主成分分析结果。(A) 主成分分析图。每个生理状态的三个重复以不同颜色的点显示。(B) 因子加载图。代谢物用点标记。虚线表示相关阈值(PC10.0PC20.050.05),用于根据代谢物对脱水作用阶段(该代谢物含量变化模式)的反应性对代谢物组进行分类。具有不同表达模式的代谢物组用不同的颜色标记,包括方差分析无显著性的代谢物。

 

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)。



 

图2、脱水和复水过程中摇蚊幼虫碳水化合物的代谢组和转录组变化。每种代谢物的动态都用点图表示。时间点用不同颜色表示。参与代谢反应的酶和转运蛋白用数字表示:1)糖原合酶;2)磷酸葡萄糖变位酶;3)T6P合酶;4)T6P磷酸酶;5)己糖激酶;6)海藻糖酶;7)促海藻糖转运蛋白1。

 

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)。
 


 

图3、(A)幼虫脱水过程(左)和复水过程(右)的关键碳水化合物变化水平。(B)连续脱水-再水合循环对碳水化合物含量和幼虫存活的影响。(C)复水后16小时海藻糖酶抑制剂VAA对幼虫存活的影响。

 

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。



 

图4、摇蚊幼虫脱水复水过程中柠檬酸循环中间代谢物含量的变化。

 


 

图5、(A)每种腺苷酸含量的波动。(B)脱水及复水过程中的腺苷酸能荷比率。

 

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)。
 


 

图6、(A)尿酸酶表达模式和尿酸降解途径的相关代谢谱。(B)谷胱甘肽合成和替代性眼酸途径。(C)KYN途径及相关酶的表达模式。

 

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)。



 

图7、摇蚊幼虫脱水和复水过程中主要代谢事件的汇总图。

 

 

结论

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。

 

 

关于天昊

 
 
 

天昊生物具有丰富的代谢组和转录组检测经验,我们致力于为研究者提供“一站式”高质量的科研策略咨询、实验技术服务和遗传数据分析服务,期待成为大家科研工作中的“昊”助手与“昊”伙伴。欢迎联系我们具体咨询!

电话:18964693703(微信同号)
公司网址:www.geneskybiotech.com
邮箱:techsupport@geneskies.com

 

往期文章链接:

代谢组学:

干货 | 代谢组样本采集方法集萃(一)
代谢组入门一问一答(一)
代谢组入门一问一答(二)
代谢组入门一问一答(三)

转录组学:

6个样本全转录组测序,轻松斩获4.2分文章
全转录组测序在植物研究中的应用(黄瓜、番茄、大白菜、泡桐、拟南芥、茶树、胡杨、玉米)
全转录组测序在动物研究中的应用(小鼠、大鼠、兔、猪、牛、鸡、羊)
转录组Plus | 2020年8月研究进展(一):心脏器官发生、痴呆、哮喘、家蚕氟暴露、水稻病毒响应及苹果采后保鲜
mRNA/lncRNA/miRNA综合研究思路解读
一套RNA-Seq数据发两篇文章,这篇5分文章可能被你漏掉了
【昊阅读】RNA-seq揭示油茶冷适应的分子机制

 

创新基因科技,成就科学梦想

 

微信扫一扫
关注该公众号

 

 




上海天昊生物科技有限公司 版权所有 沪ICP备17008908号
地址:上海市浦东新区康桥路787号9号楼 邮箱:techsupport@geneskies.com 电话:400-065-6886