运用蛋白组学、代谢组学探究热带蜥蜴的气候变化（一区顶刊）
● 前言
2021年12月，中国科学院动物研究所杜卫国研究组孙宝珺副研究员在Ecological Monographs期刊发表的题为 “Higher metabolic plasticity in temperate compared to tropical lizards suggests increased resilience to climate change ”的研究成果，通过蛋白组学和代谢组学的多组学联合分析方法，揭示了温带草蜥物种与热带草蜥物种（南草蜥，）相比，温带草蜥物种（白条草蜥，和北草蜥，）具有更强的能量代谢温度可塑性，并预测了热带蜥蜴物种更易遭受气候变化的威胁。
英文标题：Higher metabolic plasticity in temperate compared to tropical lizards suggests increased resilience to climate change
研究对象：南草蜥、白条草蜥、北草蜥
发表期刊：Ecological Monographs
影响因子：10.315
发表时间：2021.12
合作单位：中国科学院动物研究所，动物生态与保护生物学重点实验室；加州大学伯克利分校整合生物学系；南京农业大学资源与环境科学学院；中国科学院遗传与发育生物学研究所；阿伯丁大学生物与环境科学研究所；中国科学院动物进化与遗传卓越研究中心；中国科学院大学；杭州师范大学杭州市动物适应与进化重点实验室；滁州学院生物与食品工程系
运用生物技术：iTRAQ标记定量蛋白组学、GC-MS非靶代谢组学 (皆由鹿明生物提供技术支持)
● 研究背景
生物功能响应温度变异的地理格局，可以为气候变暖背景下的动物保护提供理论依据。但如何将群体或物种水平的响应模式与个体水平的生理生化响应机制联系起来仍是一个挑战。
气候变异性假说（climate variability hypothesis）预测，由于热带变温动物通过驯化响应温度变异的能力有限，它们面对气候变暖的脆弱程度将显著高于温带的变温动物。然而，作为最重要的生理功能，能量代谢的驯化响应发生在包括代谢酶、细胞，器官系统到整个有机体等多个生物层次。以往的研究主要集中在单一或少数几个层次上，这使得我们对热带和温带物种之间的代谢适应可能存在的差异缺乏详尽的了解。
本研究以中国大陆分布的白条草蜥，北草蜥和南草蜥为研究对象，从多个层次阐明了不同纬度草蜥物种能量代谢温度驯化响应的格局和机制。
● 研究思路
● 研究结果
1.适应热环境和活动体温
在三种草蜥属蜥蜴中，环境温度较高的处理组蜥蜴的平均体温均显著高于较低低温处理组的蜥蜴，但在相同的处理条件下，不同蜥蜴物种之间无显著差异。
图1 | 蜥蜴适应过程中的温度驯化环境与活动体温
2.生长率与器官大小
南草蜥体长和体重的增长速率在高温环境和低温环境中没有改变，而北草蜥体长和体重的增长速率在高温环境得到增强，白条草蜥体重的增长速率在高温环境增强但体长的增长速率没有改变。北草蜥肝脏重量在低温处理组中显著提升，而其它器官在处理组中并无显著差异。白条草蜥和南草蜥的器官大小在处理组之间均无显著差异。
表1 | 3种草蜥属蜥蜴经温度驯化后的生长速率和组织器官大小
3.静息代谢率、器官大小、线粒体呼吸与COX活性
在3种草蜥中，静息代谢率均随着测定温度升高而增强；南草蜥的静息代谢率在高温环境和低温环境间没有差异，北草蜥在低温环境中静息代谢率增强；白条草蜥在高温环境下，静息代谢率温度敏感性提升；呼吸控制率在3种草蜥中都随测定温度升高而增加，南草蜥和北草蜥的呼吸空置率在处理间并无显著差异，而白条草蜥在高温处理后呼吸控制率显著提升。
北草蜥在低温环境中的肝脏大小是高温环境中的2.7倍，但在南草蜥和白条草蜥中没有差异，而三种蜥蜴的心脏和脑大小在两种处理间均无差异。
在南草蜥中，肝脏状态3线粒体呼吸未受影响，状态4线粒体呼吸在18到28℃中没有变化，而低温处理的南草蜥从33到38℃状态4线粒体呼吸显著增强；北草蜥在两种环境下，肝脏状态3线粒体呼吸和状态4线粒体呼吸均无变化；高温环境下的白条草蜥肝脏状态3和状态4线粒体呼吸显著高于低温环境中的个体。
南草蜥和北草蜥的肝脏细胞色素c氧化酶（COX）活性在两种处理下，均无变化；而白条草蜥在高温环境中的肝脏COX活性显著提升。
图2 | 静息代谢率、器官大小、线粒体呼吸与COX活性研究
静息代谢率 (a、b、c)，呼吸控制率(d、e、f)，器官大小(g、h、i)，线粒体状态3呼吸(j、k、l)，线粒体状态4呼吸(m、n、o)和细胞色素c氧化酶(COX)活性的驯化响应(p, q, r)。
4.蛋白调控
采用了iTRAQ标记定量蛋白组学对蜥蜴的肝脏进行分析，一共确定了660种蛋白，其中白条草蜥、北草蜥和南草蜥在不同的温度环境处理中找到的差异蛋白分别为302、251和170。91种差异蛋白涉及碳水化合物、脂类、氨基酸以及能量代谢，白条草蜥和北草蜥中涉及糖类、脂类、氨基酸或能量代谢的蛋白多于南草蜥；层级聚类分析表明，这些核心代谢途径的调控模式在不同物种之间存在显著差异。
三个物种糖酵解途径中的酶是相对保守的调节，PFK和ACS在低温处理中都出现了下调，进而抑制糖酵解途径；温带的白条草蜥和北草蜥显示戊糖磷酸途径在低温下共同调控，补充低温下乙酰辅酶a的生成不足；温带的白条草蜥的脂肪酸代谢调控出现了改变，8个脂肪酸降解的酶中7个在低温处理下显著上调进而提升脂代谢，而在南草蜥和北草蜥中，并不显著的差异调控。
不仅如此，白条草蜥在缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解途径中存在不同的代谢酶调控，包括EchA, HADH, HSD17B10, ACAA，BCKDH, MCC和ACAT，而只有两种酶在北草蜥中有差异表达，而没有酶在南草蜥有差异表达；半胱氨酸和蛋氨酸代谢酶在所有物种中都有差异表达；最后是丙氨酸，天冬氨酸和谷氨酸代谢酶在南草蜥中存在更少的差异表达。
图3 | 环境适应后的酶调控
（a）糖酵解；（b）磷酸戊糖途径；（c）柠檬酸循环；（d）脂肪酸降解
5.代谢调控
代谢组学分析确认到204个代谢物，而只有白条草蜥中显示存在能量代谢相关的差异代谢物，其中8个差异代谢物和糖类、脂类、氨基酸和能量代谢相关。
图4 | 冷处理和热处理代谢物的聚类热图
（a）T.sexlineatus，（b）T.septentrionalis，（c）T.wolteri
6.蛋白和代谢联合分析
对蛋白组与代谢组数据进行联合分析，发现碳水化合物和氨基酸代谢有两个网络调控。在白条草蜥中，低温处理的MDH酶、苹果酸代谢产物及FAD降解产物均高于高温处理，低温处理的蜥蜴下调了NIT2、GOT1和ADSL，它们分别催化天冬酰胺转化为TCA循环的底物草酰乙酸和延胡索酸。
图5 | 差异表达蛋白(DEPs)和代谢物在白条草蜥中丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢的整合调控
● 研究结论
通过从热带到温带三种不同草蜥的研究，发现了气候变异性假说的有力证据。与温带的两种蜥蜴相比，热带蜥蜴展现了有限的能量代谢温度驯化响应，而两个温带物种中展示了两种截然不同的生理生化适应机制：广泛分布的温带物种北草蜥在肝脏大小上显示了极大的可塑性，；分布较窄的白条草蜥则依靠在线粒体功能，代谢酶活性、蛋白质组和代谢组水平上的调节来完成环境适应。而缺乏上述任何调控的热带蜥蜴物种南草蜥，未来可能将遭受气候变暖的严重影响。
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本研究对不同纬度蜥蜴的气候变化响应做了比较，从而证实温带蜥蜴比热带蜥蜴有更强的温度环境驯化响应能力，同时结合代谢组学和蛋白组学的方法对温带蜥蜴的气候调节机制提供了解释。
这是中国科学院动物研究所孙宝珺副研究员在Ecological Monographs这一具有90余年历史的生态学顶级期刊上发表的关于中国大陆草蜥响应气候变化的第二篇文章。随着代谢组学和蛋白组学研究的不断深入，两大组学整合将会越来越多的应用于环境变化、生理病理机制研究等领域；欧易/鹿明生物公司为广大科研工作者提供多种蛋白组学和代谢组学的检测服务，欢迎广大研究者前来垂询。
文末看点｜
lumingbio
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