中国海洋大学在潮间带滨螺高温适应机制解析研究中取得新进展

 近日，中国海洋大学水产学院、海水养殖教育部重点实验室董云伟教授团队等在顶尖期刊Science China Life Sciences（《中国科学: 生命科学》）上发表了题为“Hexokinase Expansion in Thermophilic Snails Supports Extreme Heat Tolerance”（己糖激酶家族扩张是潮间带滨螺高温适应的重要机制）的研究论文。

全球变暖背景下，揭示生物应对极端高温的适应机制是当前生物学的重要科学问题，而结节滨螺属（Echinolittorina）物种为研究这一问题提供了理想模型。这些生活于潮间带高潮区的小型贝类（成体大小通常不足一厘米）是目前已知耐热能力最强的动物类群之一：为应对栖息地内严酷的高温环境，它们演化出了极强的耐热性，致死温度可高达55°C。然而，由于缺乏基因组数据，这些物种适应极端高温的基因组学机制尚未被系统解析。针对这一研究空白，研究团队构建了结节滨螺属的首批染色体水平基因组资源，研究对象包括广布于我国沿海的粒结节滨螺（E. radiata）和分布于长江以南沿海的塔结节滨螺（E. malaccana）。通过比较基因组分析、多组学联合分析与细胞功能实验，首次为结节滨螺属物种的极强耐热性提供了基因组水平的证据。

图1.结节滨螺属物种基因组及其系统演化关系

系统发育分析发现，在滨螺亚科（Littorininae）内，结节滨螺属与其近缘类群滨螺属（Littorina）的分化始于距今约5000万年前（图1）。这一时间节点恰好与“古新世-始新世极热事件”相吻合：该地质事件是自二叠纪末大灭绝以来地球最炎热的时期，全球平均温度比现今高出约5至8°C。研究推测，这一极端高温事件可能形成了强大的自然选择效应，推动了结节滨螺属极端高温适应性的演化过程。

图2.（A）HK基因家族及数目在动物中的分布；（B）HK基因在四种滨螺亚科物种基因组上的定位；（C）基于ML树的贝类HK家族成员的聚类结果。

基因家族分析发现，滨螺亚科的己糖激酶（Hexokinase, HK）基因家族发生了显著的特异性扩张（图2）。对分属18个门的1872种已发表基因组的动物进行了HK基因鉴定与统计，结果显示结节滨螺属的HK基因拷贝数高达36个，为所有已知动物之最。进一步对贝类HK基因序列进行聚类分析，研究明确了三个清晰的HK亚家族，并分别命名为I、IIA和IIB。值得注意的是，滨螺亚科中发生扩张的HK基因全部归属于IIB亚家族。通过对HK基因的基因组定位与结构分析，研究发现滨螺亚科HK的IIB家族的扩张主要由串联重复驱动，并在进化过程中伴随着结构域的融合（占比26.7-44.0%）或丢失（21.7-36.1%），最终形成了结构多样化的新型HK。

本研究最重要的发现是首次在动物中报道了一类通过结构域融合获得跨膜结构的新型HK（membrane-anchored HK; mHK），即上述经历基因复制以及结构域融合的部分滨螺IIB亚家族成员。这类特殊HK通过N端融合的免疫球蛋白样结构域锚定于细胞膜上，从而获得与传统分布于胞内空间的保守HK截然不同的亚细胞定位特征。基于瞬时转染的功能实验表明，mHK能够提升细胞在热胁迫下的存活率，且该效应在甘露糖预处理下进一步增强；代谢组学分析结果进一步显示，表达mHK的细胞相较于对照组，其ATP及部分糖酵解中间产物的水平有所升高。这些结果说明mHK可能通过优化热胁迫下细胞的能量代谢，从而支持细胞应对高温带来的能量需求。

本研究将结节滨螺属物种的高温适应性与HK基因家族的谱系特异性扩张及其结构多样化带来的功能创新联系起来，为理解生物的极端高温适应机制提供了新的基因组资源与理论依据。中国海洋大学水产学院/未来海洋学院博士生马超一为论文第一作者，中国海洋大学水产学院董云伟教授为通讯作者。合作者包括中国海洋大学医药学院周建峰教授、博士生时全，以及水产学院廖明玲教授、邱显博、张欣蕾。研究工作获得国家杰出青年科学基金项目（42025604）、国家自然科学基金青年学生基础研究项目（424B2051）、国家自然科学基金面上项目（42376102、31872189、32170834、32370867），以及中央高校基本科研业务费的资助。

文章链接：https://www.sciengine.com/SCLS/doi/10.1007/s11427-025-3320-5