细胞生理学的无声丧失阻碍了海洋生物科学的发展-厦门杂志期刊论文发表

弗兰克·梅尔兹纳 ，伊姆克·波德别尔斯基，费利克斯?马丁·特雷斯盖尔斯

出版日期： 2022年05月12日

海洋生物化学和生理学（CBP）专家的持续流失正在阻碍快速增长的“组学”方法所依赖的知识的产生，最终阻碍了我们预测生物体对气候变化的反应的能力。

引文： Melzner F，Podbielski I，Mark FC，Tresguerres M（2022）细胞生理学的无声丧失阻碍了海洋生物科学。PLoS Biol 20（5）：e3001641。https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001641

发表： 五月 12， 2022

版权所有： ? 2022 Melzner等人。这是一篇根据知识共享署名许可条款分发的开放获取文章，允许在任何媒体上不受限制地使用，分发和复制，前提是注明原作者和来源。

资金： 作者没有为这项工作获得任何具体资金。

竞争利益： 作者宣布不存在相互竞争的利益。

在过去的几十年里，基因组革命使海洋生态学和进化科学取得了惊人的进步。今天，基因组和转录组学技术越来越多地被用来试图理解和预测海洋物种对持续气候变化的反应——这显然是我们这一代人最艰巨的科学挑战之一。但是，尽管研究人员能够在最近的一些研究中确定基因组选择靶点（例如，在居住在异常温暖的水域的珊瑚种群[1]和在模拟海洋酸化下养殖的贻贝[2]），编码蛋白质的功能通常表征不佳，甚至完全未知。研究人员成功地将基因组选择靶标与特定细胞过程（例如[3]）联系起来的少数研究有一个共同的特征：他们受益于数十年来对细胞生物化学和生理学（CBP）的基础研究，这些研究为他们的分析奠定了基础。

不幸的是，基因组革命导致许多被认为不那么前沿的学科被取代，因为教师职位的数量无法跟上生物学研究的爆炸性多样化。与广泛承认的分类学家人数下降[4]类似，海洋科学界的CBP专家也无声无息地无意中流失。不可阻挡的是，这种专业知识的丧失将影响我们发现和表征表型以及预测物种特异性复原力和脆弱性的能力。与此同时，生物医学研究人员发现，即使在受控实验室条件下的克隆细胞系中，基因表达与细胞功能之间也存在令人惊讶的缺乏相关性[5]。这些发现凸显了全面了解超越基因组学和转录组学的细胞生物学过程的迫切需要。

细胞含有离子，蛋白质和其他有机分子（统称为“渗透电解质”）的密集混合物，它们产生确定蛋白质和细胞器功能的凝胶状流体（图1）;这种液体的性质在细胞器，细胞类型和物种特异性方面可能会有很大差异[6]。大多数代谢反应对碳酸盐化学和渗透压溶解素浓度高度敏感，实际上，每种酶要么直接受到pH的影响，要么通过酸碱依赖性信号通路进行翻译后调节[7]。因此，在控制和应激条件下了解细胞内碳酸盐化学对于我们对海洋酸化和其他应激源影响的机械理解至关重要。然而，尽管无脊椎动物约占海洋动物生物多样性的75%，但没有一种无脊椎动物物种能够完全表征细胞内渗透液浓度、酸碱参数和碳酸盐化学[6]。事实上，对无脊椎动物细胞内渗透压结构预算的最全面（但不完整）评估发表于>60年前[8]，有关细胞内酸碱参数的详细信息仅适用于鱿鱼[9]。这种知识的缺乏具有许多含义，例如在作为选择靶标的蛋白质的体外表征过程中损害我们模仿细胞内液的能力（图1）。许多其他关键过程在生化和细胞水平上同样未得到充分研究，包括需氧和厌氧ATP生产，抗氧化反应，生物矿化以及共生伴侣之间的代谢交换。并非巧合的是，目前来自海洋动物泛基因组的很大一部分基因无法在功能上进行注释。

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图 1. 专门研究“组学”和海洋CBP的科学家之间的合作对于了解对气候变化的反应和快速演变至关重要。

左图：珊瑚礁受到气候变化的威胁，拥有数千种海洋物种，CBP对环境具有独特的适应性（图片来源：M. Tresguerres。拍摄于墨西哥南下加利福尼亚州卡波普尔莫国家公园）。中：细胞含有具有明确碳酸盐化学成分和溶解的有机和无机分子的复杂流体。许多基因的作用，它们的编码蛋白，以及它们新兴的细胞功能在许多海洋动物中都是未知的，尤其是无脊椎动物。右图：基因组扫描（1）可以为我们提供遗传分化信息（F圣）由气候变化相关压力源（例如，温度或pH值）选择的人口。然后可以使用CBP方法进一步表征正在选择的基因组区域（浅蓝色区域）（如2和3所示）。体外酶法测定（2）可以帮助我们了解选择下的基因突变（SNP）如何在新的非生物制度下增强蛋白质功能。这些测定需要了解细胞液组成。动态细胞生物学方法（3）可以帮助我们阐明作为选择靶标的蛋白质的生理功能（图片来源：Angus Thies，Tresguerres Lab）。CBP，细胞生物化学和生理学;SNP，单核苷酸多态性。

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3001641.g001

当然，“组学”方法在海洋科学中起着重要作用，无论是评估已知过程还是产生新的假设。但是，当我们不知道相关基因的身份及其编码蛋白的功能时，我们是否要依靠转录组学来评估环境压力源对海洋动物的影响？考虑到这些数据库主要是使用不具备我们有兴趣评估的特征的模式生物建立的，基因本体学或KEGG途径与海洋动物研究的相关性有多大？我们能否准确地预测海洋鱼类对气候变化的反应，深入研究斑马鱼，一种淡水物种？啮齿动物或秀丽隐杆线虫（甚至是非钙化海葵）是否是了解珊瑚如何构建大量碳酸钙珊瑚礁结构的关键？同样，与传统分子生物学家和生物医学科学家的合作肯定会帮助我们深入了解海洋生物的工作原理[10];然而，这并不能消除对海洋CBP科学家的需求，他们可以在环境相关的背景下分析大数据，找出差距，制定下一组假设，并设计和执行随后的实验。

唉，海洋CBP领域具有固有的局限性，这些局限性阻碍了其进步和影响。其中最主要的是，方法开发非常耗时，并且通常会导致只能在专业实验室中执行的方案，从而导致相对适度的发表和引用率。在当前竞争激烈的学术环境中，这种组合可能会阻碍初级研究人员，并对早期职业教师产生不利影响。此外，这一领域科学界规模较小且规模较小，这是审查过程中的一个主要障碍。事实上，越来越难以找到既能公平评估工作质量又能避免利益冲突的同行。因此，工作通常由缺乏所需专业知识并具有其他科学兴趣的同事和编辑审查，因此倾向于认为对CBP的研究“过于专业化”（或者，如果由生物医学科学家审查，则“不够复杂”）。这产生了一个不幸的循环，研究很少发表在备受瞩目的多学科期刊上，影响了该领域研究人员影响科学界并确保资金和教师职位的能力。此外，每个同事的退休都会导致失去学术榜样，完成一个“恶性循环”。

同事的退休也会导致方法学知识的丧失，最终，当最广泛意义上的细胞表型不可避免地变得必要时，必须重新开发这些技术。在短期内，可以通过详细的视频和书面方法以及综述论文来保存理论和实践知识。但从中长期来看，海洋CBP科学家总是需要识别原创问题，开发新方法，解释结果，促进和激发下一代科学家的兴奋，并保持循环。因此，我们敦促研究机构再次重视和促进海洋CBP教师和研究人员的招聘。集群教师聘请将他们与进化生态学家“配对”似乎是一种很有希望的前进方向，特别是如果这些研究人员在类似的分类群和环境上工作。只有拥有强大的CBP科学家社区，我们才能了解海洋动物物种如何“工作”，细胞属性与生物医学模型生物的属性有何不同，以及为什么某些基因型在快速变化的海洋环境中比其他基因型更好。

引用

1.Smith EG， Hazzouri KM， Choi JY， Delaney P， Al-Kharafi M， Howells EJ， et al.精选的特色支撑着珊瑚对世界上最温暖的珊瑚礁的快速适应。科学动态 2022;8（2）：eabl7287.pmid：35020424

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2.Bitter MC，Kapsenberg L，Gattuso JP，Pfister CA.站立的遗传变异促进了对海洋酸化的快速适应。纳特·科蒙。2019;10(1):5821.pmid：31862880

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

3.Brennan RS，Healy TM，Bryant HJ，Van La M，Schulte PM，Whitehead A.综合种群和生理基因组学揭示了Killifish的适应机制。摩尔生物 Evol.2018;35(11):2639–53.pmid：30102365

查看文章PubMed/NCBI谷歌学术搜索

4.Orr MC， Ferrari RR， Hughes AC， Chen J， Ascher JS， Yan YH， et al.分类学必须与新技术相结合，并不断发展以应对未来的挑战。国家生态学2021;5(1):3–4.pmid：33173204

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5.Gerbin KA， Grancharova T， Donovan-Maiye RM， Hendershott MC， Anderson HG， Brown JM， et al.转录组学以外的细胞状态：整合hiPSC衍生心肌细胞中的结构组织和基因表达。细胞系统 2021;12（6）：670–687.e10.pmid：34043964

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6.Melzner F， Mark FC， Seibel BA， Tomanek L. 海洋酸化和沿海海洋无脊椎动物：追踪从海水到细胞的二氧化碳效应。Ann Rev Mar Sci. 2020;12：499–523.pmid：31451083

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7.Tresguerres M， Barott KL， Barron ME， Roa JN.确定碳酸氢盐感应可溶性腺苷环化酶（sAC）在水生动物中的潜在生理作用。2014;217（5）：663–72.pmid：24574382-厦门杂志期刊论文发表

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8.波茨 WTW.一些薄片肌肉的无机和氨基酸组成。1958;35（4）：749–64.

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9.P?rtner HO， Webber DM， Boutilier RG， O'Dor RK.鱿鱼运动中的酸碱调节（Illex illecebrosus，Loligo pealei）。Am J Physiol. 1991;261（1）：R239–R46.pmid：1858951

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10.听到E.分子生物学家：让我们重新与自然联系。自然界。2022;601(7891):9.pmid：34980923

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