2022年3月，中科院遺傳發育所、中科院動物研究所、中科脂典等單位的相關研究人員在生物進化領域刊物《Molecular Biology and Evolution》（IF: 16.3）上發表了題為“Quantitative lipidomics and spatial MS-Imaging uncovered neurological and systemic lipid metabolic pathways underlying troglomorphic adaptations in cave-dwelling fish”的研究論文，揭示了洞穴金線鲃在其特殊生存環境下的脂類代謝適應的主要途徑。（中科脂典技術總監Lam Sin Man博士和中科院遺傳發育所博士生李婕為本文共同第一作者。）
研究背景
金線鲃屬（Sinocyclocheilus）是中國*的稀有淡水硬骨魚類，其包括眾多河棲地表種和穴居洞穴種。世界各地的洞穴魚獨立進化出一系列穴居生物特征和行為的適應以提高生存能力，例如感覺增強、視力退化、色素沉著和優勢攻擊性喪失，以及晝夜節律紊亂。由于脊椎動物的大腦在解剖結構和神經調節信號方面都表現出高度的保守性，因此行為的快速進化可能轉而依賴于神經調節信號網絡的不同劃分。地表魚和洞穴魚為了解大腦脂質代謝如何調節神經可塑性并最終導致進化過程中出現不同的行為特征提供了一對天然樣本。
5-羥色胺（5-HT）受體（5-HTR）不同亞型介導的5-HT信號通路在系統發育上是保守的。異常的5-HT信號與包括抑郁癥和精神分裂癥在內的多種神經系統疾病有關。由于膜脂微環境可能會改變受體-配體結合效率并進一步影響其活性，那么神經脂膜重塑的動態變化可能為調節5-HT信號轉導提供了快速途徑。
研究人員首先進行了腦轉錄組的基因集富集分析 (GSEA) 以研究金線鲃地表魚和洞穴魚兩個種群之間 KEGG 通路的差異。GSEA結果顯示，洞穴魚腦中的花生四烯酸（ARA）代謝通路和氧化磷酸化代謝通路相對于表層魚增強。然后，研究人員使用靶向 LC-MS/MS 方法分析了這兩個種群的全腦脂質組。結果表明，地表魚腦中復雜糖鞘脂顯著升高。脂質相關性分析顯示，洞穴魚大腦中儲存的甘油三酯 (TAGs) 和線粒體駐留心磷脂 (CLs) 之間存在強烈的負相關，而地表魚中不存在這種相關性。這意味著洞穴魚存儲的 TAGs 向游離脂肪酰的動員增強，同時這些脂肪酰通過腦中的線粒體氧化磷酸化途徑被消耗。因此，脂質相關性分析證實了基于 GSEA 通路分析的結果，即洞穴魚腦中的氧化磷酸化增強。此外，已有研究發現，增強的神經氧化磷酸化代謝與攻擊性行為呈負相關，這與我們研究的洞穴無眼金線鲃的行為特征相符。
為了闡明脂質代謝和空間脂質分布的區域特異性差異，研究人員隨后對每個種群的全腦進行了系統的橫向切片。腦切片按縱軸位置分為四個主要腦區，即端腦（Tel）、視頂蓋（TeO）、小腦體（CC）和延髓（MO）。在硬骨魚中，5-HT能神經元主要存在于后腦中縫核和位于前腦的三個下丘腦核中。定量脂質組學結果顯示，在所有四個腦區中，地表魚中含有ARA的膜磷脂含量相對于洞穴魚都有所降低。相比之下，其他脂質類別表現出區域特異性變化，研究人員注意到，與ARA相反，洞穴魚TeO和CC中的二十二碳六烯酸（DHA）水平相較于地表魚顯著降低。
與定量脂質組學結果一致，腦切片的空間質譜成像(MSI)結果顯示，ARA-磷脂，如PC 36:4和PC 38:4，在來自TeO、CC和MO區域的洞穴魚切片中都有所增加。另一方面，與地表魚相比，洞穴魚的DHA-磷脂，如PC40:6、PC38:6和PE40:6含量顯著減少。DHA 可能對地表魚的小腦功能至關重要，而小腦功能在洞穴魚進化中的重要性可能會降低。
與地表魚相比，洞穴魚的全眼和全肝樣本中ARA-磷脂優先于DHA-磷脂的積累也得到了驗證。洞穴魚的眼睛和肝臟中的ARA-PCs相較于地表魚顯著富集，這可能會驅動洞穴魚進化過程中視力喪失的神經可塑性，因為視力在長期黑暗的外部環境中不再是生存所必需的，此外，眼睛退化和視力喪失也會節約能量，以最大限度地在食物匱乏的洞穴環境中生存。
研究人員還觀察到，相較于地表魚，洞穴魚肝臟中TAG顯著積累，縮醛磷脂酰膽堿 (PCp) 水平升高，這被認為是一種“能量保險”，以緩沖洞穴中食物匱乏的情況。此外，金線鲃洞穴魚中還觀察到了脂肪肝，體內脂肪含量升高可能使它們能夠耐受長時間的營養缺乏。
硫苷脂 (SLs)與其代謝前體半乳糖基神經酰胺 (GalCer) 一起構成了確保髓鞘正常結構和功能屬性的主要脂質成分。基于先前MSI 結果顯示的地表魚與洞穴魚腦切片SLs的富集區域， 研究人員又進行了髓鞘堿性蛋白的免疫染色和后腦CC區域的透射電子顯微鏡（TEM）圖像分析，結果表明，相對于洞穴魚，金線鲃地表魚在后腦區域的中縫 5-HT能神經元群體髓鞘化程度更高，洞穴魚在它們的中縫5-HT能神經元中出現了選擇性脫髓鞘作用，而下丘腦5-HT能神經元沒有此現象。
最后，為了闡明洞穴魚和地表魚之間差異脂質代謝的候選基因，研究人員檢測了DHA生物合成/攝取、磷脂重塑、脂肪動員、線粒體和過氧化物酶體β-氧化途徑中基因的相對表達情況，以及大腦和肝臟中的縮醛磷脂生物合成過程。結果表明，表層魚通過 Δ4 去飽和酶途徑增強大腦中的 DHA 生物合成，并依賴于 Sprecher 途徑（elovl2、elovl5、acox1）來增強肝臟中的 DHA 生物合成。洞穴魚的脂肪肝可能是由于脂肪酰的動員和氧化減弱所致，表現在脂肪動員相關基因（pnpla2、lipea、lipeb、dagla 和 mgll）以及參與線粒體 β 氧化相關基因（cpt1ab、hadhaa、cpt2、decr1和acox1）的表達顯著降低。
綜上所述，該研究通過將定量脂質組學與空間MSI相結合，發現洞穴金線鲃的神經脂質代謝可塑性，尤其是增強氧化磷酸化、減少DHA生物合成和膜摻入、中縫5-HT能神經元的脫髓鞘等過程可能有助于穴居行為適應，消除洞穴魚不必要的形態和行為特征（例如高級眼部功能和社會行為的喪失），這有助于減少能量消耗，在食物供應不規律的洞穴環境中賦予其生存選擇優勢。
洞穴魚和地表魚在大腦和肝臟中
對其*環境進行代謝適應的主要途徑
內容來源：中科脂典
文中采用的定量脂質組學平臺：
SCIEX QTRAP®系統
SCIEX QTRAP®質譜平臺整體優勢
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內置線性離子阱質譜功能同時實現定量和定性
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