高温胁迫下大口黑鲈免疫响应及细菌易感性的机制研究

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大口黑鲈(Largemouth bass,LMB;Micropterus salmoides)是一种重要的经济鱼类,易受夏季细菌性疾病爆发的严重影响。但高温对免疫功能的影响以及高温诱导的疾病易感性的机制仍然未知。为此,本研究探讨高温对大口黑鲈免疫功能的影响,分析温度和细菌胁迫下大口黑鲈头肾和脾脏的差异基因表达。在本研究中,评估了LMB的耐热性,测定其(28℃适应3周)最大临界热值(Critical thermal maximum,CTMax)为39.71±0.18℃。在34℃高温胁迫1、7(短期)和14 d(慢性)后,采集头肾、脾脏和血液进行组织学和生化分析,探讨热暴露对组织结构、氧化状态和免疫功能的影响。结果显示,热应激(34℃)可增加头肾和脾脏组织中游离黑素巨噬细胞(Melanomacrophages,MMs)的数量,且随着暴露时间的延长而增加。慢性暴露会导致头肾和脾脏中细胞核碎片(Fragmented nuclei,FN)数量显著增加,引起免疫器官严重的细胞凋亡。此外,慢性高温胁迫会导致头肾和脾脏过氧化氢酶(Catalase,CAT)和谷胱甘肽过氧化物酶(Glutathione peroxidase,GSH-PX)活性显著降低(p<0.05),头肾中的丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量显著增加(p<0.05)。热暴露后,两个组织中均显著诱导热休克蛋白70(Heat shock protein 70,hsp70)基因的表达。短期热暴露增强两种组织中免疫球蛋白M(Immunoglobulin M,igm)的表达,增加全血的呼吸爆发活性(p<0.05)。然而,慢性暴露降低igm(脾脏中)和干扰素(Interferon gamma,ifng)(两种组织中)的基因表达,抑制全血的呼吸爆发活性(p<0.05)。总之,短期高温胁迫(7d)可引起一定的生理可塑性,慢性高温胁迫(14 d)可引起严重的细胞凋亡、氧化损伤和免疫功能衰减。同时慢性热暴露使LMB易被嗜水气单胞菌感染,并显著增加组织细菌负荷(p<0.01)。通过RNA-Seq分析热暴露(he)、嗜水气单胞菌感染(inf)以及高温胁迫+细菌感染(he+inf)对头肾和脾脏基因表达的影响。主成分分析(principal component analysis,PCA)结果显示,he组和inf组的样品与对照组(在28℃下注射PBS)紧密聚集,而he+inf的样本与相应的对照组样本分离。he+inf组头肾和脾脏的差异基因数目和差异基因所富集的Gene Ontology(GO)项数均显著高于其他组,其上调的差异基因在蛋白质折叠、内质网应激反应、细胞过程和代谢过程等功能上富集,下调基因在生物调控、气体转运、氧气转运、过氧化氢分解代谢过程、细胞与细胞间的信号转导中富集。Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes(KEGG)分析表明,与对照组相比,he+inf组的头肾和脾脏增强了涉及蛋白质水解、能量代谢和生物合成的多条通路,如蛋白酶体、氧化磷酸化、柠檬酸循环、脂肪酸生物合成和氨基酸生物合成等,而维持细胞结构和正常细胞功能的多种途径下调,如细胞粘附分子、ECM受体相互作用和焦点粘附、钙离子信号、MAPK信号和FoxO信号等。此外,通过Weighted gene co-expression network(WGCNA)分析鉴定出相关的基因共表达模块和相应的核心基因(c AMP responsive element modulator a),dusp4(dual specificity phosphatase 4),zbtb21(zinc finger and BTB domain containing21),arf2b(ADP-ribosylation factor 2b),arl2(ADP-ribosylation factor-like 2)和eaf2(ELL associated factor 2)。通过qPCR分析ass1(argininosuccinate synthase 1)、acsl1a(acyl-CoA synthetase long chain family member 1a)、fasn(fatty acid synthase)、ndufs5(NADH:ubiquinone oxidoreductase subunit S5)和phgd(phosphoglycerate dehydrogenase)的基因表达来验证RNA-seq数据的正确性。结果表明RNA-seq与qPCR数据之间存在显著相关性(p<0.0001,R~2=0.8776),以上研究表明慢性热暴露极大地促进了细菌引起的宿主代谢途径的转变。两种组织中涉及能量生产和营养物质生物合成的通路均被激活,而下调的通路主要与宿主细胞结构和正常细胞功能有关。综上所诉,高温胁迫会降低大口黑鲈的免疫功能,增加大口黑鲈对嗜水气单胞菌的易感性,并且高温胁迫促进了细菌诱导的宿主细胞代谢途径的转变,这种转变对病原体的生存和增殖至关重要。本研究不仅有助于揭示高温环境下大口黑鲈免疫应答的机制和分子基础、挖掘鱼类适应全球变暖的遗传基础和弄清高温环境中细菌源性疾病暴发机制,而且能为通过代谢调控手段来防治高温环境中细菌性疾病暴发的新手段调控打下基础,对保障我国水产养殖的生产安全也意义重大。
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