m6A RNA 甲基化助力刺参应对高温低氧双重环境挑战的研究

为探究刺参（Apostichopus japonicus）在高温和低氧双重压力下的适应机制，研究人员整合 m6A 甲基化测序（MeRIP-seq）和转录组分析（RNA-seq）开展研究。结果表明 m6A 修饰调控关键基因表达，帮助刺参适应恶劣环境，为海洋无脊椎动物应激机制及水产养殖提供理论支持。

　　

研究背景

在广袤的海洋世界里，全球气候变化正悄然改变着海洋生态系统的面貌。自 20 世纪 70 年代起，海面温度如同不断攀升的温度计，平均每十年升高约 0.13°C，而黄海和渤海这两个对中国水产养殖至关重要的区域，升温速度更是快于全球平均水平，夏季极端高温事件愈发频繁。与此同时，海水溶解氧（DO）水平却在持续下降，分层现象和富营养化让这片海域的氧气含量降至临界低值 2mg/L 以下，这对海洋生物的生存构成了巨大威胁。

刺参（Apostichopus japonicus）作为中国重要的水产养殖品种，年产量超 20 万吨，市场价值超 40 亿美元，主要分布在山东和辽宁等地。它适宜生长的温度在 16 - 21°C，当温度超过 26°C 时，其氧气消耗增加，代谢紊乱；一旦温度超过 30°C，刺参的存活率便会显著下降。在高温低氧的双重压力下，刺参的生理过程被打乱，免疫反应受抑制，死亡率上升，给水产养殖业带来了巨大损失。

而 N⁶- 甲基腺苷（m⁶A）作为一种常见的 RNA 修饰，在生物适应环境压力中发挥着重要作用。它广泛存在于生物体的 mRNA 中，参与调节蛋白质合成、RNA 稳定性、翻译效率和应激反应等过程。虽然在其他海洋物种中对 m⁶A 的研究已有不少，但在刺参应对高温低氧双重胁迫方面，相关研究还十分有限。因此，为了深入了解刺参的应激适应机制，来自鲁东大学等机构的研究人员开展了此项研究，相关成果发表在《BMC Genomics》上。

研究方法

研究人员从山东安源水产有限公司获取了 90 只刺参，在实验前对其进行 14 天的适应性饲养。实验设置了三个处理组，分别为对照组（T18DO7，18°C，DO = 7mg/L）、低氧组（T18D02，18°C，DO = 2mg/L）和高温低氧组合组（T32DO2，32°C，DO = 2mg/L）。实验持续 24 小时后，采集刺参的呼吸树组织用于后续分析。

研究运用了甲基化 RNA 免疫沉淀测序（MeRIP-Seq）和 RNA 测序（RNA-Seq）技术。通过对测序数据进行质量过滤、比对和分析，研究人员确定了 m⁶A 富集区域（峰）、差异表达基因（DEGs），并对相关基因进行功能富集分析和综合分析，以探究 m⁶A 甲基化在刺参应对高温低氧胁迫中的作用。

研究结果

1. RNA 测序数据质量和映射统计：每个测序文库产生约 4000 万个高质量读数，Q30 分数始终超过 92.80%，与刺参参考基因组的比对率在 68.42% - 76.46% 之间，超过 45% 的读数能唯一映射，表明测序数据质量良好，满足后续分析要求。
2. m⁶A 峰的鉴定和分布：在 T18DO7、T18DO2 和 T32DO2 组中分别鉴定出 12768、8679 和 10983 个 m⁶A 峰，约 90% 的基因有 1 - 3 个 m⁶A 峰，单峰最为常见，约占 60%。m⁶A 峰主要分布在编码序列（CDS）区域，5’非翻译区（UTR）峰最少。同时，还发现了一些在应激组中显著富集的基序，如 ARAAACWKT（T18DO2）和 RRAAACWTT（T32DO2）。
3. 比较 m⁶A 峰分析：不同实验组之间 m⁶A 峰存在显著差异。T18DO7 与 T18DO2 比较，有 299 个峰差异；T18DO7 与 T32DO2 比较，有 651 个峰差异；T18DO2 与 T32DO2 比较，有 626 个峰差异。这些差异峰相关基因分析表明，高温和低氧胁迫影响不同的基因集，且高温胁迫对 m⁶A 修饰的影响更强。
4. 功能富集分析：对差异 m⁶A 峰相关基因进行 GO 和 KEGG 富集分析。GO 分析发现，不同比较组在代谢过程、细胞成分和分子功能等类别存在重叠和独特的术语，表明 m⁶A 修饰在调节刺参基本生物学功能和应激特异性反应中起关键作用。KEGG 分析显示，各比较组存在共享和独特的通路，如代谢通路、PI3K-Akt 信号通路等，反映了刺参应对不同应激条件的生理反应差异。
5. 共享和独特的 DEGs：RNA-seq 分析显示，三个处理组在主成分分析（PCA）图中聚类明显，T32DO2 组与其他两组差异最大。研究鉴定出 5 个核心 DEGs，在所有比较组中都存在，还有不同数量的共享 DEGs，反映了刺参的分子适应机制。不同比较组中 DEGs 的功能富集分析表明，它们在氧化还原、蛋白质折叠和转录调控等生物学过程以及不同的代谢和信号通路中发挥作用。
6. m⁶A 甲基化在基因表达调控中的作用：有 m⁶A 修饰的基因表达水平显著高于无修饰的基因。综合分析发现，在高温低氧胁迫下，m⁶A 修饰的基因表达变化多样，且 m⁶A 甲基化和 mRNA 表达水平更易同步变化。对关键基因的 GO 和 KEGG 富集分析表明，m⁶A 修饰参与调节 RNA 加工、能量代谢、蛋白质折叠等过程，以及多种代谢和信号通路。

研究结论与讨论

本研究揭示了 m⁶A RNA 甲基化在刺参应对高温低氧联合胁迫中的关键调节作用。HSP70、NOX5 和 SLC7A11 等关键基因，以及 PI3K-Akt 和 MAPK 信号通路，在调节氧化应激、代谢重编程和增强免疫反应中发挥了重要作用。m⁶A 甲基化与基因表达之间的复杂关系表明，这种表观遗传机制通过精细调节基因表达，帮助刺参更有效地适应环境压力，维持代谢平衡和提高免疫力，从而增加在极端环境中的生存几率。

此外，研究还发现刺参在高温低氧胁迫下，抗氧化相关基因和代谢调节基因发生显著变化，表明其具有特殊的抗氧化机制和代谢重编程现象。同时，信号通路在刺参适应环境压力过程中也起着重要作用，如 PI3K-Akt 和 MAPK 信号通路参与细胞生存、免疫反应和代谢调节，内质网相关的蛋白质加工通路有助于维持蛋白质质量。

然而，研究也存在一些局限性，如未探究胁迫的长期影响，研究组织仅局限于呼吸树组织。未来的研究可以朝着这些方向展开，以更全面地了解刺参的应激反应机制。总体而言，该研究为海洋无脊椎动物应对复杂环境压力的分子机制提供了新视角，也为水产养殖实践提供了理论支持，有助于开发更具抗逆性的水产养殖系统，以应对全球气候变化带来的严峻挑战。