深海環境具有高壓、溫差巨大、終年無光、食物匱乏等特殊極端條件，是常規生命形式的禁區， 6000米以下的深海被稱作海鬥深淵。今天小編就給大家分享一篇發表在Nature Ecology & Evolution文章，其主角就是來自馬裡亞納超深淵的獅子魚，文章引用信息如下（DOI：10.1038/s41559-019-0864-8）：
海洋水深6,000到11,000米之間區域稱為深海帶或者超深淵帶，是地球上最惡劣的環境之一，具有高靜水壓，黑暗，食物匱乏，低溫和缺氧等特徵。然而，在這些惡劣環境中生命仍然蓬勃發展。20世紀50年代進行的超深淵探險活動發現了數百種棲息物種，包括微生物、原生生物、蠕蟲、多孔動物、軟體動物、棘皮類、甲殼類、刺胞動物及魚類。
最常見的深淵脊椎動物是獅子魚，棲息廣泛，從潮間帶到深度超過8,100米海區均有獅子魚分布，此外，最近研究表明，獅子魚是深海帶食物網中的頂級捕食者，並主導深海帶魚類組成。然而，我們對獅子魚如何適應深海生活的遺傳基礎和進化歷史卻知之甚少。
本文在馬裡亞納海溝進行了一次探險活動中，在水深7,415米深處發現一新種獅子魚，Pseudoliparis swireip，並收集了Pseudoliparis swireip個體，對其基因組進行測序，並利用比較形態學，轉錄組學分析，揭示其適應深海相關的遺傳機制。
一、馬裡亞納超深淵獅子魚（MHS）形態特徵
MHS皮膚透明，通過皮膚和腹壁可見其肌肉和內臟。為適應深淵環境，胃，肝和卵增大，肌肉更薄和骨骼不完全骨化。
二、馬裡亞納超深淵獅子魚（MHS）進化史
利用MHS、Tanaka’s snailfish（一種獅子魚）、刺魚、比目魚、太平洋藍鰭金槍魚、河豚、新月魚、鱈魚、斑馬魚共9種硬骨魚構建系統進化樹，據估計，MHS和Tanaka’s snailfish的分化時間大約在2020萬年前，而且大約5萬年前，MHS種群出現擴張。
三、MHS在整個基因組中變異率較低，但蛋白質進化率較高
在這9種硬骨魚中，MHS基因組具有較低突變率，前期研究表明突變率收到環境，代謝率，生活特徵，特別是繁殖率等影響。而超深淵物種的代謝率相對較低，巧合的是，我們觀察到雌性MHS產生的卵數量少於但顆粒大於其他雌性獅子魚，這表明它們可能具有專門的繁殖策略，延長其繁殖時間。MHS可能通過延長繁殖時間來降低其突變率。
儘管MHS的核苷酸水平突變率很低，但其蛋白質序列的進化速度似乎與其他物種相似。
四、MHS特殊表型的分子基礎
生活在地球表面的脊椎動物有封閉的頭骨空間，周圍環繞著堅硬的骨頭，以保護大腦並保持適當的顱內壓。然而，封閉的頭骨在極高壓的超深淵環境下無法保持其結構的完整性，因此需要一個開放的系統。因此，大多數超深淵物種是無骨生物，只有少數脊椎動物，像MHS這樣進化出適應性結構特徵。利用微計算機斷層掃描發現MHS的顱骨並沒有完全閉合，保證內部和外部壓力均衡。此外，大部分骨骼由軟骨組成，而不是骨化。值得注意的是，我們發現MHS基因組中調控組織礦化和骨骼發育的骨鈣素基因，也被稱為骨Gla蛋白(bglap)基因發生移碼突變，這可能導致其軟骨鈣化提前終止。
7000米深的海底幾乎完全沒有陽光，而MHS對深海著陸器的光線沒有做出反應，因此，研究人員對MHS晶體蛋白和視蛋白基因的變化進行比較基因組分析，發現MHS丟失了幾個重要的感光基因。轉錄組數據顯示只有5個基因表達，其中3個基因(rho、rgrab和rgrb)在頭部特異表達。MHS也丟失了皮膚色素沉著基因，身體變得透明。
五、細胞膜的變化
細胞膜是含有多種蛋白的脂質雙分子層，高壓會降低細胞膜的流動性及其相變的可逆性，最終導致膜相關蛋白的變性和功能紊亂；也會使膜硬化，破壞它們的傳輸功能。基因家族分析顯示，MHS中有310個基因家族明顯擴張，其中與脂肪酸代謝相關的基因家族擴張最為顯著。生化研究表明，深海生物細胞膜比淺海生物細胞膜含有更高的不飽和脂肪酸。有研究表明，二十二碳六烯酸(DHA)能顯著改變膜的許多基本性質，而 DHA生物合成的最後一步是過氧化物酶病β-oxidation,和蛋白質乙醯輔酶a醯基轉移酶編碼通過acaa1is病原反應酶在這一過程中。DHA生物合成的最後一步是過氧化物酶體β-氧化過程，其過程又受到acaa1基因編碼的乙醯輔酶A醯基轉移酶調控。我們發現MHS基因組有15個acaa1基因拷貝，而其他硬骨魚中只有5個拷貝。另一個參與DHA生物合成的基因fasn在MHS基因組中拷貝數增加。這些變化可能會增加液體膜脂的含量，使MHS能夠在世界最深的海溝中生存。
六、蛋白活性的維持
高水壓抑制蛋白質功能，影響摺疊和酶活性。因此，生活在深海的物種必須維持細胞內環境，以保持蛋白質的固有特性，並具有抗壓能力。基於生理和結構適應的機制已被提出，以解釋蛋白質功能的保存在深海生物。
生理適應機制：積累小的有機溶質，如N-氧化三甲胺(TMAO)，在高靜水壓下保持蛋白質功能。氧化三甲胺是一種具有重要生理功能的蛋白質穩定劑，可以使變性後的蛋白質恢復到原來的結構。TMAO在硬骨魚類中的豐度隨其生活水域深度的增加而增加，在所有組織中，深海物種的氧化三甲胺含量都明顯高於淺海物種。大多數硬骨魚基因組中包含5個TMAO生成酶(fmo3)的拷貝，其中4個是串聯重複，這四個串聯重複基因中的第一個基因(fmo3a)在MHS的肝臟中高表達。
結構適應性機制：胺基酸替代模式和蛋白質結構的改變，可以抵消壓力對蛋白質功能的影響。有研究發現部分蛋白質的進化模式與靜水壓力相關，因此，我們進一步研究MHS的基因家族是否在同源位置上與祖先基因型有胺基酸替代模式的改變。發現MHS中hsp90蛋白的5個拷貝中的4個發生丙氨酸-絲氨酸的替換，hsp90在人類、小鼠、雞、變色龍和酵母的相應蛋白中高度保守的一個位點上，同樣發生胺基酸替換。在這樣一個保守的位置，置換的復發和固定表明它很可能有利於MHS的適應。
△內容來源：水生動物健康評估，作者：珞珈之巔，圖片來自網絡，版權歸原作者所有，如有侵權，請聯繫我們刪文
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