光周期历史通过调控大西洋鲑血管囊转录组响应海水适应的分子机制

《Journal of Comparative Physiology A》：Photoperiodic history modulates the response of the saccus vasculosus transcriptome to seawater exposure in Atlantic salmon

本研究针对大西洋鲑(Salmo salar)在淡水向海水洄游过程中如何通过光周期调控血管囊(SV)功能这一关键问题，通过转录组学分析发现：血管囊对海水暴露的响应显著依赖于前期光周期历史，并鉴定出脑脊液钙结合蛋白(Ependymin)作为SV主要分泌输出物。尽管SV响应呈现光周期依赖性，但未检测到光敏感视蛋白-TSH-DIO通路关键元件表达，表明SV可能通过调控脑脊液离子平衡参与海洋适应性而非直接介导光周期信号整合。

　　

每年当日照长度随着季节更迭而变化时，生活在高纬度地区的生物会巧妙地将生命历程中的关键阶段安排在不同时节。对于大西洋鲑来说，这种季节性计时尤其重要——它们需要经历两个至关重要的发育过程：繁殖和银化。银化是幼鲑为从淡水环境迁徙至海洋环境所做的复杂准备过程，其中最显著的特征是渗透调节功能的转变，使银化鲑能够适应海水的高渗环境。

然而，鲑鱼如何通过感知日照变化来精确计时银化过程？传统观点认为，光周期信息整合可能通过鱼类特有的 circumventricular 器官——血管囊来实现。这个位于 hypothalamus 腹侧的高度血管化结构，因其含有光敏感视蛋白的冠状细胞和与脑脊液接触的独特位置，被推测既可能参与光周期信号感知，又可能调控脑脊液离子平衡。但这一假说在大西洋鲑中尚未得到实验验证。

为了解开这一谜团，研究人员设计了一项精巧的实验。他们将幼鲑分别暴露于模拟冬季的短光周期(8小时光照/16小时黑暗)和模拟夏季的持续光照条件下培养，随后将两组鱼群转移至海水环境24小时，系统采集了血管囊组织进行转录组测序分析。通过这种实验设计，团队能够同时评估光周期历史和海水暴露对血管囊基因表达的独立及交互影响。

在技术方法上，研究采用 Illumina HiSeq 2500 平台对血管囊组织进行单端100bp RNA测序，使用Salmon(v1.1.0)基于大西洋鲑参考转录组版本3(Ssal_v3.1)进行转录本定量，通过EdgeR(3.42.4)进行差异表达分析，设定错误发现率(FDR)<0.01为显著性阈值。同时通过GOrilla工具进行基因本体论富集分析，利用SalmotifDB数据库分析转录因子结合位点富集情况。实验样本来自挪威哈夫布鲁克斯塔森养殖场的商业品系大西洋鲑。

转录组分析揭示血管囊在脑脊液钙平衡中的核心作用

对血管囊转录组的全面分析发现，Ependymin-1(epd1)和Ependymin-2(epd2)这两种钙结合细胞外基质蛋白的转录本占总测序读数的15%，表明它们可能是血管囊的主要分泌产物。同时，细胞内钙缓冲蛋白 parvalbumin(pvalb)和与蛋白折叠相关的亲环素A(ppia)也高度表达。这些发现支持了血管囊通过冠状细胞囊泡储存和释放钙离子以维持脑脊液钙稳态的假说，但提出了新的机制视角：血管囊可能通过大量分泌钙依赖性可溶性蛋白Ependymin来调控脑脊液组成，而非直接释放钙离子。

光周期历史显著影响血管囊对海水转移的转录响应

通过聚类分析，334个差异表达转录本被分为5个具有独特表达模式的集群。值得注意的是，超过三分之二的差异表达基因(集群2和5)显示出光周期依赖性的海水响应模式。集群2转录本在短光周期历史组的海水暴露后显著诱导，但在夏季光周期历史组中无此响应，这些基因富集于转录调控相关功能，并包含多个即刻早期基因(如EGR1、FOS和JUN)以及昼夜节律相关因子TEF。相反，集群5转录本在短光周期历史组的海水暴露后抑制，在夏季光周期历史组中诱导表达。这种差异响应模式表明，血管囊对海水挑战的反应高度依赖于鱼体先前经历的光周期条件，可能反映了银化状态依赖性的调控机制。

血管囊中缺乏完整的TSH-DIO光周期通路关键元件

为验证血管囊是否直接参与光周期信号整合，研究人员系统检测了视蛋白-TSH-DIO通路关键元件的表达。尽管检测到五种视蛋白转录本(rgrb1、rgrb2、opn8a1、opn8b和tmtopsin3a)，但masu salmon中报道的光周期相关视蛋白(rhl、sws1、lws和opn4)均未表达。更重要的是，TSH蛋白异二聚体编码基因(tshβa、tshβb和glhal)及其受体(tshr)在血管囊中均未检测到表达。虽然检测到甲状腺激素激活酶基因(dio2a、dio2b)和失活酶基因(dio3)的表达，但它们的光周期和海水暴露响应均不显著。这些结果表明，在大西洋鲑银化过程中，血管囊可能不通过内在的视蛋白-TSH-DIO通路介导光周期信号整合。

综合研究结果，这项发表于《Journal of Comparative Physiology A》的工作提出了重要结论：大西洋鲑血管囊的转录组对海水暴露的响应显著依赖于光周期历史，但这种依赖性不太可能源于血管囊内在的光周期感知机制。相反，血管囊可能作为脑脊液组成的关键调节器，通过大量分泌Ependymin等钙结合蛋白，在鲑鱼从淡水到海水的环境过渡中维持中枢神经系统的离子稳态。该研究将血管囊的功能重心从光周期感应重新定位到离子稳态调控，为理解鲑鱼海洋适应性提供了新视角，同时提示光周期控制银化的核心机制可能存在于下丘脑-垂体轴的其他部位，特别是垂体衍生的tshβb亚型值得进一步研究。这些发现不仅深化了对鱼类季节性适应的认识，也为水产养殖中鲑鱼银化过程的精准调控提供了理论基础。