仙翁看月三百秋，研究首次揭示月相变化影响海洋生物节律

景杰学术/解读

编者按：月盈月亏，潮起潮落，月亮的周期改变与日出日落类似，影响着地球上生物的行为习惯习性。人类因为太阳形成日出而作日落而息的作息规律，并通过对月相的观察，提出月历纪年方法，记录春夏秋冬季节变化。地球上的其他生物对周期性变化温度、光照等进化出适应性的改变，形成生物钟（biological rhythm）影响个体或群体的习性。例如，许多海洋生物，从珊瑚到鱼类，其繁殖活动与月相周期同步。

近日，来自奥地利的研究者在国际知名期刊Elife上报道了月相变化对海洋生物沙蚕的影响。研究者利用转录组测序与蛋白质组学手段，分析在月相变化模型中沙蚕头部组织的转录水平与蛋白水平变化，寻找月相周期与发育、繁殖相关的分子调控机制，首次报道了月相变化对海洋生物节律的影响。

研究中所使用的研究对象，海洋蠕虫杜氏阔沙蚕（Platynereis dumerilii），被称为“研究活化石”。早期的研究已经发现杜氏阔沙蚕能够通过头部的感光神经细胞对光线变化产生响应，并促进或抑制褪黑激素的产生，调节昼夜循环：夜间杜氏阔沙蚕产生褪黑激素，它们会上升到海面附近，吃海藻和其他食物；白天它们会下潜到较低的深度，躲避食肉动物和太阳紫外线。

杜氏阔沙蚕示意图

为了系统的了解沙蚕大脑中月相节律的分子水平变化，研究者设计模拟了月相周期模型，分别设置新月阶段（NM）与满月阶段（FRFM，通过夜间光照刺激模拟满月状态）周期变化，并将沙蚕在培养时对性别以及不同成熟阶段进行区分。

同时，研究者巧妙设立RNA与蛋白同步分离体系，对所选取的头部组织进行基因表达谱分析（RNA-Seq）以及蛋白质组学分析，保证了转录组与蛋白组关联分析样本的一致性。

沙蚕月项目型培养与取材策略

随后，研究者利用动态表达聚类分别分析了沙蚕头部转录组与蛋白组随成熟，性分化以及月相的变化情况，并将转录组数据与蛋白组数据进行关联分析。

研究者通过Label free蛋白质组学共鉴定到2290种蛋白。通过比较蛋白组与转录组的数据，研究者发现二者之间的关联性只有0.482；符合转录蛋白之间一贯的低相关性，说明在不同的水平上均存在着不相同的调控模式，尤其是蛋白水平存在的翻译后调控极大地影响了蛋白质的丰度与功能。

进一步对数据进行分析，研究者发现蛋白组受月相变化影响显著高于转录组。新月与满月时期相比，蛋白组共有24.53%的蛋白发生明显差异变化，而转录组仅有0.12%转录本发生明显差异变化，表明月相变化在蛋白水平具有更为显著的影响。

相较于转录组，月相变化对蛋白组有更为明显的影响

利用蛋白质组学数据，研究者对月相变化响应的差异蛋白进行细致分析，寻找月相变化响应相关的调控机制。研究者发现铁离子结合蛋白MyoHr、Somaferritin，白蛋白前体Whitnin，以及室管膜相关蛋白（ERPs）是主要的月相变化响应差异蛋白。值得注意的是，这些蛋白在脑部表达分散，说明月相变化影响的区域并不固定。

月相变化响应生物标志物的表达水平分析

综上所述，在本研究中，研究者开发了一套转录蛋白同步提取与分析的实验手段，以海洋环节动物Platynereis dumerilii沙蚕为研究对象，首次报道了月相变化对海洋生物节律的影响。

本研究亮点在于设立RNA与蛋白同步分离体系，保证了转录组与蛋白组关联分析样本的一致性；同时，多维组学的关联分析揭示出蛋白水平变化在月相节律响应中的重要功能。

参考文献：

Schenk S, et al., 2019, Combined transcriptome and proteome profiling reveals specific molecular brain signatures for sex, maturation and circalunar clock phase. Elife. 

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