单细胞转录组学揭示扇贝心脏对热应激的异质性反应：开启海洋无脊椎动物耐热机制新视野

《BMC Biology》：Single-cell transcriptomic dynamics of scallop heart reveals the heterogeneous response to heat stress

为探究开放循环系统动物心脏对高温的细胞异质性反应，中国海洋大学研究人员以海湾扇贝为模型展开研究。他们利用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）等技术，发现心室肌细胞（VMs）和心房肌细胞（AMs）反应模式不同，还确定关键基因 AiPLRP2-like。该研究为保护海洋无脊椎动物提供理论基础。

　　在广袤的海洋世界里，贝类生物如同微小却坚韧的 “居民”，默默承受着环境变化带来的巨大挑战。全球气候变暖的浪潮下，海水温度不断攀升，这对拥有开放循环系统的贝类来说，无疑是一场严峻的考验。开放循环系统使得它们的血液（血淋巴）直接暴露在环境中，难以缓冲温度变化，心脏作为维持生命活动的关键器官，其功能极易受到高温影响。

过往研究主要聚焦于基因组和组织层面，然而心脏是一个复杂的 “小宇宙”，由多种细胞组成，不同细胞对热应激的反应存在差异。为了深入了解贝类心脏应对热应激的奥秘，中国海洋大学的研究人员挺身而出，勇挑重担。他们以海湾扇贝为研究对象，展开了一场意义非凡的科研探索之旅。

研究人员精心设计实验，通过热暴露实验，模拟不同温度条件下海湾扇贝心脏的变化。同时，运用单细胞 RNA 测序（scRNA-seq）技术，像一把精准的 “手术刀”，剖析心脏细胞在热应激下的基因表达变化。此外，还采用 RNA 干扰（RNAi）技术，对关键基因进行功能验证。

研究结果表明，热应激对扇贝心脏造成了显著的影响。在结构方面，随着温度升高，心脏结构损伤逐渐加重，出现表面裂缝、空洞，Z 线模糊，肌纤维紊乱等现象。生理代谢上，神经递质（如去甲肾上腺素 NE、γ- 氨基丁酸 GABA、乙酰胆碱 ACh）和能量代谢酶（丙酮酸脱氢酶 PDH、乳酸脱氢酶 LDH、磷酸烯醇式丙酮酸激酶 PK）的活性发生动态变化，以应对能量需求的增加。

进一步分析发现，扇贝心脏细胞存在多种类型，包括心肌细胞（CMs）、成纤维细胞（FCs）、心脏祖细胞（CPCs）等。其中，CMs 又可细分为心室肌细胞（VMs）和心房肌细胞（AMs）。这两种细胞在能量代谢方面表现出明显的异质性。VMs 在热应激时，糖酵解和氧化磷酸化代谢增强，为心脏提供更多能量；而 AMs 则主要通过调节细胞间通讯，与免疫样细胞和 FCs 相互作用，维持心脏内环境稳定。

在热应激过程中，线粒体自噬被广泛激活。这是细胞为了维持线粒体功能稳定，清除受损线粒体的一种自我保护机制。研究还发现，热应激会干扰心肌细胞与其他细胞的通讯，影响心脏的正常功能。同时，心脏祖细胞在热应激下会向心肌细胞转化，这一过程可能有助于维持心肌细胞的数量和功能。

最引人注目的是，研究人员鉴定出一个关键基因 AiPLRP2-like。该基因在扇贝心脏中高度表达，且在热应激时表达变化显著。通过 RNAi 实验证实，敲低 AiPLRP2-like 会降低扇贝的耐热性，导致甘油三酯（TG）积累。这表明 AiPLRP2-like 在调节扇贝心脏耐热性方面发挥着重要作用。

综上所述，该研究首次全面揭示了海湾扇贝心脏在热应激下的细胞异质性反应，明确了 VMs 和 AMs 的不同功能，鉴定出关键基因 AiPLRP2-like。这为深入理解海洋无脊椎动物心脏应对热应激的机制提供了新视角，也为保护海洋生物免受全球变暖的影响提供了重要的理论依据。

研究人员开展研究时，主要运用了以下关键技术方法：一是热暴露实验，将扇贝置于不同温度环境，监测心脏活动；二是单细胞 RNA 测序（scRNA-seq），分析心脏细胞基因表达；三是 RNA 干扰（RNAi），验证关键基因功能。

下面详细介绍研究结果：

1. 扇贝心脏在热应激下的结构损伤和生理代谢改变：通过扫描和透射电子显微镜（SEM 和 TEM）观察，发现随着温度升高，心脏表面出现裂缝、空洞，内部结构受损，如 Z 线模糊、肌纤维紊乱等。同时，神经递质和能量代谢酶的活性发生变化，以适应能量需求的增加。
2. 热暴露下扇贝心脏的动态细胞景观：利用 scRNA-seq 分析，鉴定出 6 种细胞类型，包括 CMs、FCs 等。不同细胞类型对热应激的敏感性不同，其中免疫样细胞（ILCs）最为敏感。功能富集分析表明，热应激相关基因主要参与细胞程序性死亡、炎症和免疫反应等过程。
3. 热暴露引发广泛的线粒体自噬：热应激下，心脏能量消耗增加，线粒体数量和活性氧（ROS）水平上升，导致线粒体损伤。为维持线粒体稳态，细胞启动线粒体自噬，清除受损线粒体。
4. 心肌细胞能量代谢的异质性：VMs 和 AMs 在糖酵解和氧化磷酸化代谢途径上表现出不同的调节模式。VMs 增强能量供应，而 AMs 则通过调节细胞间通讯来维持心脏功能。
5. 热应激干扰心肌细胞与其他细胞的通讯：分析不同细胞簇之间的配体 - 受体对，发现热应激会改变心肌细胞与其他细胞的通讯模式，影响心脏的正常功能。
6. 热暴露诱导心脏祖细胞向心肌细胞转化：通过伪时间轨迹分析，发现热应激会促使心脏祖细胞向心肌细胞转化，这一过程可能有助于维持心肌细胞的数量和功能。
7. AiPLRP2-like 的鉴定和表达模式：scRNA-seq 分析确定 AiPLRP2-like 为热应激下心肌细胞中表达变化最显著的基因。该基因在扇贝心脏中广泛表达，且在热应激时表达上调。
8. AiPLRP2-like 敲低和过表达对心脏功能和 TG 含量的影响：RNAi 实验表明，敲低 AiPLRP2-like 会降低扇贝的耐热性，增加 TG 含量；而过表达该基因则会降低细胞内 TG 水平。

研究结论和讨论部分再次强调了这些发现的重要意义。热应激对扇贝心脏结构和功能的影响，以及细胞异质性反应和关键基因的鉴定，为理解海洋无脊椎动物心脏的耐热机制提供了重要线索。这不仅有助于我们深入认识海洋生物对环境变化的适应策略，还为保护海洋生物资源提供了理论支持。未来，研究人员可以进一步探索 AiPLRP2-like 的作用机制，以及其他潜在的耐热调控因子，为应对全球变暖对海洋生物的影响提供更多解决方案。