不同的适应性和可塑性基因表达谱介导珊瑚抗病性
德克萨斯大学的Laura D. Mydlarz团队在Science Advances发表了题为“Disease resistance in coral is mediated by distinct adaptive and plastic gene expression profiles”的研究论文。该研究将七种珊瑚暴露于疾病环境中，通过分析珊瑚疾病暴露后的差异表达基因，揭示了基因与患病率的关联以及系统发育和疾病暴露介导的基因表达模式。这项研究为识别珊瑚抗病性状提供了一个新的框架，有助于了解珊瑚抗病性或易感性的基因表达模式，并预测疾病将如何影响种群在不断变化的环境中的生存及其生态贡献。
背景
传染病的爆发使地球上物种多样性减少，从根本上改变了生态系统功能与生产力。然而，海洋环境很难像陆地生态系统一样彻底清除病原体，所以一旦疾病爆发，将成为海洋生态系统的一个主要威胁。珊瑚礁是生态和经济上的宝贵资源，随着海洋中频繁且严重的疾病爆发，其群落生物多样性逐渐丧失，影响了珊瑚礁原始的生态功能。先前的研究表明，不同种类的珊瑚暴露在不同病原体下有不同的宿主免疫反应，并且珊瑚患病和免疫的研究已经成功地识别到疾病诱导的相关基因。然而，目前仍缺乏关于珊瑚种群暴露于病原体下免疫与其它细胞过程的具体机制研究。所以，比较抗病和易感珊瑚物种之间的不同免疫反应、珊瑚特定的疾病表型与基因表达相关性以及确定珊瑚适应性或可塑性抗病相关的基因表达模式已成为重要的科学问题。本研究将七种珊瑚暴露于病原环境中，通过转录组分析来识别珊瑚疾病相关的谱系特异性表达基因。
结果一：珊瑚应对疾病的实验设计与差异表达基因
珊瑚是生态上宝贵的生物资源，然而日益严重的疾病感染使得珊瑚向更耐病的种群转移，改变了原始珊瑚礁的生态功能。白化病是历史上已知的会对珊瑚多个种群造成较大危害的疾病，但珊瑚Montastraea cavernosa, Porites porites和Porites astreoides 对该疾病具有较好的抗性。所以，为了了解珊瑚物种之间免疫防御等机制的变化，研究人员选取了不同抗病性的七种健康珊瑚进行病原暴露实验，分别为珊瑚Orbicella faveolata、Orbicella annularis、Colpophyllia natans、Siderastrea siderea、Porites astreoides、Porites porites、Montastraea cavernosa（Fig.1A），其中，以已经患白化病的珊瑚O.franksi被定为实验疾病来源。实验组将七种珊瑚放置于中心病变珊瑚O.franksi周围，对照组则置于没病变的中心珊瑚O.franksi周围（Fig.1B）。除了病原体有无之外，各个组在实验过程中的其他所有条件都保持一致。研究人员将暴露于无病环境的归类为对照珊瑚；暴露于疾病但在传播实验结束时未发生病变的归类为抗病珊瑚；反之发生病变的归类为疾病易感珊瑚。
研究人员对七种珊瑚的转录组进行了注释与组装，在每个物种各自的实验组与对照组中鉴定出显著的差异表达基因(DEGs)。其中，O.faveolata的DEGs数量最多，共有865个；C.natans的DEGs数量为0个；O.annularis的DEGs数量为181个；S.siderea的DEGs数量为53个；P.porites的DEGs数量为45个；P.astreoides的DEGs数量为47个；M.cavernosa的DEGs数量为787个（Fig.1A）。
研究人员通过构建物种系统发育树鉴定到七种珊瑚中共有446个同源基因，并将这些基因的表达与珊瑚物种间的系统发育整合到基因表达方差与进化的EVE模型中，共得到80个EVE基因（Fig.1C）。EVE模型将珊瑚基因表达模拟为珊瑚物种在系统发育树中的位置，可以得到基因表达模式是由物种进化差异介导的还是疾病暴露介导的。如果种内基因表达变异大于种间表达，则存在表达多样性，说明基因具有表达可塑性。当种内变异最小且种间表达不同时，鉴定为谱系特异性表达基因。其中，88个基因中27个基因相对于其他物种具有显著的谱系特异性表达，其他53个基因具有表达可塑性（Fig.1C）。接着，对这些基因进行GO功能富集，发现表达可塑性基因与病变进展率相关（Fig.1D）。
在珊瑚疾病暴露的七个物种中，六个物种发生了病变。研究人员使用WGCNA将rlog标准化后的基因与珊瑚病变进展率（珊瑚病变个体比率）构建了基因共表达网络，发现只有五个物种基因表达与病变进展率相关，所以研究人员省略了不相关两个物种的共表达网络分析。接着对与病变进展率呈正相关与负相关的基因模块分别构建共表达网络，发现它们分别富集在不同的通路上（Fig.1D）。
根据以上结果研究人员最终筛选出了21个弹性适应的基因以及39个弹性表达可塑性的基因，根据它们的功能以及通路推测弹性可塑性基因可能与珊瑚疾病的恢复等作用有关，这也是为什么其在抗病珊瑚会有更高表达的原因。
结果二：珊瑚差异表达基因的比较
虽然在七种珊瑚没有直接共享的DEGs，但研究人员根据比较物种系统发育和疾病易感性，确定了在珊瑚亚群之间共享的DEGs。珊瑚易感病物种O.faveolata和O.annularis共享50个DEGs；系统发育距离相近的易感病物种O.faveolata和M.cavernosa具有27个共享的DEGs；抗病物种P.porites和M.cavernosa共享11个DEGs（Fig.2）。在三个亚群的比较中发现，有助于细胞外基质维持和免疫相关的基因在实验后差异表达（Fig.2）。易感物种在响应疾病暴露时具有相似的差异基因表达，有助于细胞外基质维持(如：半乳蛋白、蛋白α2链、粘蛋白、SH3、PX-蛋白质)和免疫。系统发育相似的物种在响应疾病暴露时具有相似的差异基因表达，有助于细胞外基质维持（如：基质金属蛋白酶）和免疫。耐药物种在响应疾病暴露时具有相似的差异基因表达，有助于免疫（酪氨酸酶和纤维介素蛋白A）和细胞内蛋白质运输（Fig.2）。
结果三：与病变进展比率相关的珊瑚基因共表达网络
研究人员使用WGCNA将基因分模块并与病变进展率构建基因共表达网络。在显示病变进展率的6个物种（O. faveolata、O.annularis、C. natans、S. siderea、P.porites和P.astreoides）中，5个物种（O. faveolata、O.annularis、C.natans、S.siderea和P.porites）的基因共表达网络与病变进展率显著相关（P < 0.1）。总共有8个由8804个独特基因组成并与病变进展率呈显著正相关的模块，13个由8438个独特基因组成并与病变进展率呈负相关模块（Fig.3A）。模块与病变进展率的相关性在物种间存在差异。比如：O.faveolata有一个与病变进展率呈正相关和两个与病变进展率呈负相关的模块；而O.annularis有两个与病变进展率呈正相关和五个与病变进展率呈负相关的模块。与病变进展率呈正相关的基因富集在蛋白质修饰和细胞骨架排列相关的过程，而呈负相关的生物富集在免疫系统调节相关的过程（Fig.3B）。淋巴细胞介导的免疫调节与病变进展率呈显著负相关，而这一过程正是核因子κB(NF-κB)激酶活化和B细胞介导免疫调节的子过程(Fig.3C）。对四个与病变进展率呈正相关的亲本免疫生物学过程的子过程进行富集分析，发现其富集在NF-κB激酶、tau蛋白激酶、蛋白激酶A以及参与细胞凋亡过程半胱氨酸型内肽酶的激活过程(Fig.3D)。
结果四：鉴定谱系特异性和高度可塑性的基因表达模式
按物种分组的样本聚类表明基因表达模式是由珊瑚物种驱动的（Fig.4A）。研究人员为了探究系统发育对基因表达模式的影响与疾病暴露对基因表达模式的影响，用EVE模型构建了物种的系统发育树。在EVE模型中，筛选到了80个“EVE基因”（Fig.4A）。同时，研究人员还使用Pfam确定这些基因中同源性。EVE模型鉴定出在80个EVE基因中，27个基因相对于其他物种具有显著的谱系特异性表达模式，可能作为有助于物种进化的候选基因（Fig.4B）；其他53个基因被鉴定为具有高度可塑性，并且可能与其暴露于疾病和响应疾病的表达模式有关（Fig.4D）。
此外，研究人员还根据80个EVE基因及其谱系特异性表达适应或可塑性表达模式，构建了基因的GO可视化图（Fig.5）。
结果五：EVE基因的表达与处理方式和相对风险显著相关
虽然53个基因在所有物种中的表达具有显著差异，但其中的8个基因在不同实验处理下（即对照，疾病暴露和疾病感染）的表达模式显著不同（Fig.6A），表明这些可塑性基因的表达受处理方式比物种种类介导的更强烈。这8个基因在免疫或代谢的各个方面都有相关性。NF-kB通过抑制相关的干扰素调节因子和脂质代谢增加了珊瑚在疾病感染中的表达（Fig.6A）。研究人员进一步探索了基因谱系特异性表达模式，以确定它们和暴露于疾病下感染病变风险的关联。发现一个谱系特异性基因的表达模式和暴露于疾病下感染病变风险呈显著相关（P = 0.048、cor = 0.75和df = 5）（Fig.6B）。说明当珊瑚暴露于疾病下时，脂质代谢相关的丝氨酸结合基因表达会增加。
研究人员还进一步探索了80个EVE基因，发现它们可能是疾病恢复的代表基因。因为在大多数物种中，通常与疾病显著相关的可塑性基因一般具有细胞自噬、信号传导、免疫抑制和脂质代谢的功能，并且和维持细胞结构完整性与翻译过程有关。
讨论
本研究将珊瑚谱系特异性表达基因适应模式和可塑性模式与疾病表型联系起来，通过识别对疾病暴露（DEGs）反应不同表达的基因，与病变进展的关联（WGCNA），以及区分系统发育和疾病暴露介导的基因表达（EVE），可以得到在疾病暴露期间导致珊瑚生存或病变发展的基因表达模式。该研究发现了三种一致的模式：首先，在发生病变的珊瑚中，免疫和细胞骨架排列过程与病变进展率相关；其次，珊瑚发生病变可能是由参与细胞外基质维持、细胞自噬和细胞凋亡基因的可塑性介导；第三，抗病物种具有更高水平的细胞内蛋白质运输效率，这些过程具有谱系特异性的抗病适应性基础。总之，这些模式表明，与抗病相关的基因可塑性可能在进化上受到表达水平适应过程的限制。
来源：Science Advance、林木科学评论