冰封世界的基因密码:多组学视角下的极地生命

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图源:pixabay.com


在动画电影《马达加斯加的企鹅》中,憨态可掬的企鹅四贱客(老大、科斯基、瑞哥和菜鸟)从南极出发到世界各地探险。影片中,它们有一句很著名的台词:

“当世界需要被拯救,地球上最精英的团队就会现身。”

极地,是生物的基因库和自然资源的储备地。在地球气候系统和全球营养循环中,极地地区起着关键作用。如今,在全球气候变暖的大背景下,极地生物更是科学研究的重要门户。

当极地生物需要被研究,地球上的精英科学家们便表示:需要多组学的方法来探索极地生命。

 

2023年11月,东英吉利大学和英国南极调查局的研究团队在 Nature Communications 上发表了关于多组学方法探索极地生命的文章 Multi-omics for studying and understanding polar life。文章主要探讨了在极地生态系统中应用多组学方法的重要性,以全面了解和评估极地生物多样性、揭示其对永久寒冷环境的适应以及应对气候变化的影响,并提出了未来研究的方向和合作建议。

 

具有独特适应性的极地物种

文章强调了由于人类气候变化对极地生物多样性和生态系统功能产生的威胁。在北极,气温上升迅速,不稳定的北极急流使极端天气事件在温带地区发生的可能性增加。而在南极,安第斯山脉融化和南极半岛的大规模变暖也对生态相互作用和生物地球化学产生了影响。极地地区的气候变化导致了物种在陆地和海洋中的分布变化,对生态系统功能产生了重大影响。

研究人员指出,由于极地地区的气候变化,对于全面评估极地生物多样性、揭示生命如何演化和适应永久寒冷环境,需要大量的数据,而这正是多组学方法的优势所在。

在极地生态系统长期(十年以上)研究方面,我们还存在知识缺口,尤其是缺乏关于物种分布、丰度和其对环境的适应能力的综合研究。现有研究主要集中在一些特定物种上,而缺乏对整体极地生物多样性的综合了解。

 

组学可用于评估整个极地生命系统的生物多样性,如图所示的从海洋、陆地、冰和永久冻土中的微生物到北极熊、鲸鱼、海豹和海鸟等大型动物群。

目前,嗜冷细菌和古菌等微生物的基因组测序相对较全面,可能是目前为止最为了解的拥有基因组、转录组、蛋白组和生理数据的极地生物,但多细胞极地物种的基因组测序相对滞后。已测序的基因组仅限于极地哺乳动物(例如北极熊、企鹅、南极海豹)、鱼类和一些无脊椎动物。对于这些关键物种的重要角色,例如连接初级生产者与鸟类、海豹和鲸鱼等三级消费者的甲壳动物等,目前只有有限数量的线粒体基因组可用。

基因组和代谢组的研究不仅揭示了极地微生物群落的多样性,还揭示了它们对环境变化的响应。例如,对企鹅和冰鱼等多个相关物种进行的基因组测序揭示了与寒冷适应相关的正选择信号。

为了填补这一知识缺口,研究人员主张利用多组学方法,包括基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学。这些方法能够提供更全面的数据,用于理解极地生态系统和生物对寒冷环境的适应。

为了调查蛋白质在寒冷环境中的生物物理学和表征未知基因和蛋白质功能,需要巨额的财政和科学投入,以开发易操作的极地模型系统,尤其是多细胞生物。这将需要将在非极地模型物种中开发的细胞功能基因组学(包括反向遗传学)技术转移到极地物种。在生物物理学方面,需要对 “寒适应” 蛋白质进行深入研究,尤其是在细菌中这方面的研究比真核物种更为深入。

研究人员指出,尽管出现了一些先进的三维蛋白质折叠预测算法(如Alphafold等),但这些算法是在温和的蛋白质上训练的,最终产生了理论上可能与近0°C温度下的蛋白质构象不同的体外预测的三维结构。组学方法还可以在解读多组学功能方面发挥作用,例如基因网络分析,这些分析将注释和非注释序列合并到结果网络中。

当前,由于存在治理结构、科学社区的封闭性、缺乏国际合作、研究基础设施的维护成本等诸多挑战,多组学方法在极地科学中未能实现预期效果。研究人员呼吁在国际层面上建立合作机制,以支持多组学方法在极地研究中的应用。

展望未来,为了更全面地了解极地物种如何适应寒冷生活,需要集中力量进行更多的基因组测序,特别是对南北极都存在的物种,如磷虫、翼足类、海葵和硅藻等,以便识别与寒冷适应相关的进化适应。此外,RNA测序、染色质免疫共沉淀、开放式染色质测序和DNA亲和测序等方法应与基因组测序项目完全整合,以帮助识别调控变体和调控元件。

总的来说,这篇文献主要关注了极地生态系统面临的威胁,以及通过多组学方法提供全面理解的可能性。它强调了国际合作的重要性,并提出了未来研究的方向和建议。


论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41467-023-43209-y?utm_medium=external_display&utm_source=stork&utm_content=email&utm_term=null&utm_campaign=CONR_JRNLS_AWA1_CN_CNPL_0034V_STKRE

 

延伸阅读

—— 极地生命的蛋白质组学研究

 

1 Sept 11, 2023 Scientific Reports
嗜冷杆菌YJ56在温度胁迫下的形态和生理适应

通过使用基于Nanopore的16S rRNA测序的相关分析表明,南极土壤短期暴露于低温时,生物量会增加,但细菌多样性降低,并维持蜡样芽孢杆菌门、厚壁菌门和放线菌门(包括假关节杆菌属物种)的高丰度。耐寒的假关节杆菌 Pseudarthrobacter psychrotolerans YJ56 在13°C条件下具有优异的生长能力,但与同一南极土壤中分离的其他细菌相比,在30°C下无法生长。蛋白质组数据表明,25°C下,放线菌门细胞经历了生理应激,表现为分子伴侣蛋白GroEL和过氧化氢酶 KatE的上调。在13°C下,参与50S核糖体蛋白组装和50S核糖体蛋白L29的蛋白水平增加,这表明许多核糖体蛋白在不同条件下具有不同的功能。综上所述,该研究突显了嗜冷 YJ56 菌株在应对高温胁迫时的细胞丝状化和蛋白质稳态。

链接:https://www.nature.com/articles/s41598-023-42179-x


2 July 21, 2023 J. Agric. Food Chem.
与南极磷虾鱼糜凝胶质量特性相关的潜在蛋白质标记的发现

本研究系统分析并比较了κ-/ι-卡拉胶-南极磷虾鱼糜凝胶的品质特性和蛋白质组的变化。此外,还进行了南极磷虾的转录组测序,填补了南极磷虾数据库的空白。这是第一项基于质谱分析的无标记定量蛋白质组学研究,探讨和描绘了南极磷虾鱼糜品质特性的潜在蛋白标志物。研究结果可为南极磷虾应用过程中的质量控制提供理论参考。

链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jafc.3c02860

 

3 Sept 04,2021 The ISME Journal
南极沿海浮游植物水华中不同类群的蛋白质组特征各异

该研究使用原位宏蛋白质组学(in situ metaproteomics)技术,在南极浮游植物水华期间鉴定并量化了真核微生物和细菌的蛋白质组特征。不同的类群(而非不同的环境条件)根据其核糖体和光合蛋白质组比例形成不同的簇,研究人员认为这些特征与生态差异有关。研究人员对真核微生物和细菌分类群中的几个蛋白质组学特征(核糖体和光合蛋白质组比例、监管成本)进行了量化,这些特征可以纳入基于性状的微生物群落模型,反映资源分配策略。

链接:https://www.nature.com/articles/s41396-021-01084-9

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