华东师大杜震宇团队发现鱼类对低氧的耐受性取决于对脂肪和碳水化合物的代谢偏好

作者：CZRC 发布时间：2023/10/8 9:40:00

以下文章来源于水生动物营养与环境健康实验室，作者马强

氧是动物生存的必需元素。海洋变暖、昼夜交替、水体富营养化、高密度水产养殖、供电故障和活体长途运输等因素均会造成水体低氧，从而影响水生动物健康，甚至导致死亡，造成生态危害或经济损失。鱼类是最古老和种类最多的脊椎动物，但不同鱼类对低氧水环境的耐受性存在很大差异。科学家已发现红细胞数量、血红蛋白亚型及携氧能力、呼吸方式、基因组加倍等均会影响鱼类对低氧环境的适应，但不同鱼类对低氧耐受性的差异机制尚未完全揭晓。

华东师大杜震宇课题组前期发现，罗非鱼在急性低氧下会加快分解肝脏糖原为葡萄糖进行无氧糖酵解；而饲喂高糖饲料可通过激活无氧糖酵解来提高斑马鱼在急性低氧胁迫下的存活率，这提示促进葡萄糖的利用可以提高鱼类对低氧的耐受性。然而，与哺乳动物不同，大部分鱼类对碳水化合物（糖类）的消化率和利用率较低。不过，该课题组前期也证实，适当抑制脂肪分解可以提高鱼类对葡萄糖的利用。因此，课题组提出两个科学假说：1）通过调控脂肪分解来调节糖与脂的代谢平衡，可由此控制鱼类对低氧的耐受性；2）在自然界中，更善于利用糖类供能的鱼类（杂食性）要比优先分解脂肪供能的鱼类（肉食性）更耐低氧。

近日，杜震宇教授课题组从食物营养素的代谢差异角度入手，首次发现：更善于分解糖来供能的鱼类（杂食性）要比善于分解脂肪来供能的鱼类（肉食性）更耐低氧。相关论文“Hypoxia tolerance in fish depends on catabolic preference between lipids and carbohydrates”在动物学知名期刊Zoological Research期刊发表。

研究人员通过药理学抑制或激活、基因敲除、转录组测序、流式细胞术和代谢示踪等方式，在罗非鱼、斑马鱼及其细胞上开展相关研究。结果显示，急性低氧会抑制罗非鱼肝脏脂肪酸分解，促进脂肪合成，并激活Hif3α和无氧糖酵解。而增强细胞脂肪酸分解会减少糖的分解，加剧胞内氧气消耗并引发细胞氧化损伤，导致罗非鱼对急性低氧的耐受性下降。

相反，抑制脂肪酸进入罗非鱼线粒体或分别敲除斑马鱼三个脂肪分解关键基因，可显著抑制实验鱼对脂肪的分解效率并促进对糖类的分解，降低了实验鱼的氧气消耗和氧化损伤，从而提高实验鱼对急性低氧的耐受性（图1）。然而，在脂分解被抑制的斑马鱼中，抑制无氧糖酵解能消除由抑制脂肪分解所产生的耐受低氧的表型，由此证实抑制脂肪分解所带来的低氧耐受性增强与无氧糖酵解有关。

图1 (A) 对照组和米屈肼组罗非鱼的急性低氧存活率；(B) 肝脏线粒体脂肪酸β氧化速率；(C)耗氧率；(D) 肝脏相关蛋白表达量；(E) 野生型和atgl敲除斑马鱼的急性低氧存活率；(F)放射性葡萄糖和棕榈酸的利用率比较；(G)肝脏活性氧水平；(H) 肝脏相关蛋白表达量。备注：C: 对照组；Mil: 米屈肼组；wt:野生型斑马鱼；atgl^-/-: atgl敲除斑马鱼。

为进一步验证以上结果在不同鱼类中的普适性，课题组又选择使用不同摄食偏好和分类地位的14种鱼，比较其低氧耐受性，并检测其对脂肪和糖类的分解代谢偏好。14种鱼类的比较研究结果进一步确认：更善于分解脂质作为能量来源的鱼类要比善于分解糖类的鱼类更不耐受急性低氧（图2）。

图2 (A) 14种鱼急性低氧存活率比较；(B) 14种鱼分解脂肪酸释放CO2和葡萄糖释放CO2的比值与低氧存活时间呈现负相关

综上所述，不同鱼类对低氧耐受性的差异取决于其对脂肪或碳水化合物分解代谢的偏好性；而在同种鱼类中，可以通过调控脂肪分解代谢效率来改变其对低氧的耐受性。该研究阐明了鱼类食性与低氧耐受性能的关系，揭示了自然界中不同鱼类适应低氧的一种普适机制，也为培育耐低氧鱼类新品种、研发耐低氧专用配合饲料及提高鱼类对糖的利用提供了理论指导。

图3 全文总结图（红色代表上调，绿色代表下调）。

该论文的第一作者为马强博士，2021年毕业于华东师范大学生命科学学院（硕博连读），现就职于中国水产科学研究院黄海水产研究所，通讯作者为杜震宇教授。该研究由国家自然科学基金重点项目（31830102）和青年科学基金项目（32202950）资助。

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