《Water Biology and Security》：Integrated analysis of transcriptomics and metabolomics reveals the role of hypoxia inducible factor HIF-1α in the regulation of pathogenic
Vibrio infection in shrimp
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針對對蝦養(yǎng)殖中弧菌�。ㄈ缂毙愿我认賶乃啦。┪：�(yán)重且鰓部易感缺氧的難題，本研究通過RNAi敲低新發(fā)現(xiàn)的鰓組織高表達(dá)基因LvHIFn-1α，結(jié)合轉(zhuǎn)錄組與代謝組整合分析，揭示HIF-1α在副溶血弧菌感染中通過調(diào)節(jié)谷胱甘肽代謝、糖酵解/糖異生及花生四烯酸代謝等通路，影響氧化還原平衡、能量代謝和炎癥反應(yīng)，從而調(diào)控宿主免疫防御的新機(jī)制。這為深入理解HIF-1α在甲殼動物免疫代謝中的核心作用及抗病育種提供了新靶點(diǎn)。
弧菌病，特別是由攜帶PirA/PirB毒素的副溶血弧菌引起的急性肝胰腺壞死病，已成為全球?qū)ξr養(yǎng)殖業(yè)面臨的重大威脅。作為關(guān)鍵的呼吸和免疫器官，對蝦的鰓部不僅是病原體入侵的主要門戶，其組織在感染過程中因細(xì)菌增殖和毒素釋放也容易陷入局部缺氧狀態(tài)。缺氧誘導(dǎo)因子-1（HIF-1）是細(xì)胞感知和適應(yīng)缺氧環(huán)境的核心轉(zhuǎn)錄因子，但其在對蝦抵御弧菌感染過程中的具體功能和調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍不清晰。近期發(fā)表在《Water Biology and Security》上的一項(xiàng)研究，為揭開這一謎題提供了重要線索。
研究人員以南美白對蝦為模型，鑒定并命名了一個主要在鰓中表達(dá)的新型HIF-1α基因——LvHIFn-1α。為了探究其在副溶血弧菌感染中的作用，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地運(yùn)用RNA干擾技術(shù)敲低了該基因的表達(dá)，并在感染后0小時和6小時兩個時間點(diǎn)，對敲低組和對照組蝦的鰓組織進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)的整合分析。這項(xiàng)研究主要運(yùn)用了基因克隆與qPCR分析、RNA干擾、副溶血弧菌浸浴感染、Illumina高通量轉(zhuǎn)錄組測序以及基于LC-MS的廣靶代謝組學(xué)等關(guān)鍵技術(shù)方法。實(shí)驗(yàn)所用的南美白對蝦樣本來自實(shí)驗(yàn)室暫養(yǎng)的健康蝦只。
研究結(jié)果系統(tǒng)揭示了LvHIFn-1α在調(diào)控宿主免疫代謝中的多重角色：
3.1. LvHIFn-1α的基因特征與表達(dá)模式
研究人員成功克隆了LvHIFn-1α，發(fā)現(xiàn)其在鰓組織中表達(dá)量最高，并且在副溶血弧菌浸浴感染后持續(xù)上調(diào)，提示該基因在鰓部免疫防御的早期應(yīng)答中扮演重要角色。
3.2. LvHIFn-1α的基因敲低
通過注射特異性dsRNA，成功實(shí)現(xiàn)了LvHIFn-1α的高效敲低。敲低該基因后，感染12至24小時，蝦肝胰腺中的弧菌數(shù)量顯著增加，直接證明了LvHIFn-1α在宿主抵御弧菌感染中的關(guān)鍵作用。
3.3. 轉(zhuǎn)錄組與代謝組數(shù)據(jù)概覽
測序與質(zhì)譜分析獲得了高質(zhì)量且可靠的組學(xué)數(shù)據(jù)，為后續(xù)深入分析奠定了基礎(chǔ)。
3.4. dsEGFP與dsHIFn-1α組間鰓組織的差異表達(dá)基因
敲低LvHIFn-1α后，鰓組織在轉(zhuǎn)錄層面發(fā)生了顯著變化，涉及氧化還原過程、花生四烯酸代謝、外源性物質(zhì)代謝以及煙酸和煙酰胺代謝等多個通路。值得注意的是，包括C型凝集素、抗脂多糖因子和酚氧化酶原系統(tǒng)相關(guān)基因在內(nèi)的大部分免疫相關(guān)基因在敲低組中高表達(dá)，暗示了一種可能失調(diào)的免疫激活狀態(tài)。
3.5. dsEGFP與dsHIFn-1α組間鰓組織的差異代謝物
代謝組分析顯示，敲低組在谷胱甘肽代謝、煙酸和煙酰胺代謝以及三羧酸循環(huán)等通路的代謝物水平發(fā)生顯著改變，例如谷胱甘肽二硫化物和L-γ-谷氨酰半胱氨酸含量降低，而乙酰輔酶A和前列腺素E2等含量升高。
3.6. dsEGFP與dsHIFn-1α組間的整合分析
整合分析直觀地展示了敲低LvHIFn-1α如何同時擾動谷胱甘肽代謝、煙酸煙酰胺代謝、糖酵解/糖異生和花生四烯酸代謝等多個通路在基因和代謝物水平的協(xié)同變化，揭示了其復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。
3.7. dsEGFP-Vp與dsHIFn-1α-Vp組間鰓組織的差異表達(dá)基因（感染后）
在副溶血弧菌感染的背景下敲低LvHIFn-1α，引發(fā)了更為劇烈的轉(zhuǎn)錄重編程。差異基因顯著富集于HIF-1信號通路、谷胱甘肽代謝、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)加工等通路。同時，更多的免疫相關(guān)差異表達(dá)基因（如C型凝集素、NOD樣受體、對蝦素、抗脂多糖因子、酚氧化酶原和Kazal型蛋白酶抑制劑）在敲低感染組中高表達(dá)。
3.8. dsEGFP-Vp與dsHIFn-1α-Vp組間鰓組織的差異代謝物（感染后）
感染后的代謝擾動主要集中在脂肪酸生物合成與代謝相關(guān)通路。例如，磷酸戊糖途徑中的D-核酮糖-5-磷酸和D-來蘇糖含量降低，而花生四烯酸代謝通路中的前列腺素E2和前列腺素A2含量升高。
3.9. dsEGFP-Vp與dsHIFn-1α-Vp組間的整合分析（感染后）
感染后的整合分析進(jìn)一步證實(shí)，LvHIFn-1α敲低加劇了感染引發(fā)的代謝紊亂。它導(dǎo)致糖酵解增強(qiáng)（GAPDH表達(dá)和乙酸含量上升），但磷酸戊糖途徑減弱（ZW表達(dá)及D-核酮糖-5-磷酸等代謝物下降），同時谷胱甘肽代謝和花生四烯酸代謝持續(xù)亢進(jìn)。
3.10. LvHIFn-1α敲低對副溶血弧菌感染期間抗氧化和免疫基因表達(dá)及酶活性的影響
生化驗(yàn)證表明，敲低LvHIFn-1α顯著抑制了鰓組織中超氧化物歧化酶、過氧化物酶、酚氧化酶的活性以及總谷胱甘肽含量。感染進(jìn)一步加劇了這種抑制。這從功能層面證實(shí)了LvHIFn-1α在維持抗氧化防御能力方面的核心作用。
綜上所述，本研究通過多組學(xué)整合分析，系統(tǒng)闡明了HIF-1α在對蝦抵御副溶血弧菌感染中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。結(jié)論部分指出，敲低LvHIFn-1α?xí)T導(dǎo)鰓組織氧化損傷、改變糖代謝穩(wěn)態(tài)并加劇炎癥反應(yīng)，從而促進(jìn)副溶血弧菌的感染。其作用機(jī)制可能是通過協(xié)調(diào)調(diào)控谷胱甘肽代謝、煙酸煙酰胺代謝、花生四烯酸代謝、糖酵解/糖異生、三羧酸循環(huán)和磷酸戊糖途徑來實(shí)現(xiàn)的。
這項(xiàng)研究的重大意義在于，它首次在鰓組織這一關(guān)鍵感染門戶，從轉(zhuǎn)錄和代謝兩個維度全景式地揭示了HIF-1α如何通過調(diào)控免疫代謝網(wǎng)絡(luò)來影響對蝦的病原體防御。這不僅深化了對HIF-1α在無脊椎動物先天免疫中功能的理解，也為通過靶向HIF-1α信號通路來增強(qiáng)對蝦抗病力、開發(fā)新的病害防控策略提供了重要的理論依據(jù)和潛在的分子育種靶點(diǎn)。
