공간 대사체학은 칠성장어 협측샘의 다각적인 특성과 혈액에 대한 다양한 메커니즘을 밝힙니다.

Jun 19, 2023

커뮤니케이션 생물학 6권, 기사 번호: 881(2023) 이 기사 인용

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칠성장어는 해양 환경에서 피를 빨아먹는 뱀파이어입니다. 생존 관점에서 볼 때 칠성장어 구강샘은 숙주의 항상성, 염증 및 면역 반응을 조절하는 약리학적 활성 성분의 저장소를 나타낼 것으로 예상됩니다. 14가지 서로 다른 칠성장어 조직의 대사 프로필을 분석함으로써 우리는 칠성장어의 협측선에 있는 두 그룹의 대사산물인 프로스타글란딘과 키누레닌 경로 대사산물이 칠성장어 혈액 공급을 돕기 위해 숙주 물고기에 주입될 수 있음을 보여줍니다. 프로스타글란딘은 혈관 항상성을 유지하기 위해 혈관 확장제 및 항응고제 역할을 하고 염증 반응에 관여하는 잘 알려진 흡혈 관련 대사산물입니다. 메기 대동맥판에 대한 혈관 운동 반응성 테스트에서는 키누레닌이 숙주 물고기의 혈관을 이완시켜 물린 부위에서 숙주 물고기의 혈류를 개선할 수 있음이 나타났습니다. 마지막으로, 칠성장어를 동물 모델로 사용하는 연구를 지원하기 위해 칠성장어 공간 대사체학 데이터베이스(https://www.lampreydb.com)가 구축되었습니다.

먹장어와 함께 칠성장어는 턱이 없는 물고기의 유일한 현존 계통입니다1,2. 축적된 화석 증거에 따르면 데본기 시대의 칠성장어는 이미 현대의 성체 칠성장어와 거의 동일했으며 구강 디스크, 환형 연골 및 구강 주위 치아가 잘 발달되어 있음이 입증되었으며3,4,5,6 이는 칠성장어의 진화적 장기 안정성을 시사합니다. .

칠성장어는 장어 모양의 수생 동물입니다. 칠성장어(Eudontomyzon morii)와 같이 평생 담수에서 사는 종도 있고, 바다칠성장어(Petromyzon marinus)와 북극칠성장어(Lethenteron camtschaticum)를 포함한 다른 종들은 먹이를 찾아 바다로 이동하는 경우가 많습니다7. 모든 칠성장어의 수명 주기는 담수 유충 단계(탄약류라고도 함)로 시작되며, 이 유충 칠성장어는 하천 바닥에 필터 공급 장치로 파묻혀 생활합니다. 약 3~7년 또는 그 이상이 지나면5,8 모든 칠성장어는 특징적인 구강 디스크와 단검 같은 혀를 갖춘 어린 칠성장어로 완전히 변태합니다. 기생하는 칠성장어의 경우 구강 디스크와 단검 모양의 혀를 사용하여 물고기의 가죽에 부착하고 뚫어 피를 섭취할 수 있습니다9. 1년 이상이 지나면 어린 칠성장어는 성적으로 성숙한 성체가 되어 더 이상 먹이를 먹지 않습니다. 대조적으로, 비기생 칠성장어는 변태가 완료된 후에는 먹이를 먹지 않습니다10,11,12. 마지막 단계에서 성체 칠성장어는 담수로 돌아와 산란하고 죽습니다7,13.

현재 현존하는 칠성장어는 40종으로 알려져 있으며, 그 중 기생종은 18종입니다14. 거의 모든 흡혈 동물은 벼룩, 진드기, 거머리, 모기 등 무척추동물이며, 칠성장어는 척추동물 체외기생충 중 몇 안 되는 그룹 중 하나입니다15. 기생 칠성장어는 일반적으로 빨판 모양의 구강 디스크를 통해 숙주의 신체 표면에 부착하고, 끝 부분에 이빨이 달린 혀 모양의 피스톤으로 피부에 구멍을 내고 며칠 동안 숙주의 피를 빨아들입니다. . 따라서 기생 칠성장어는 면역 반응(가려움증이나 통증을 유발하여 숙주에 대한 방어 행동을 유발할 수 있음), 통각 반응(숙주 방어 행동을 시작할 수 있음) 및 지혈(혈액 손실을 방지하는 척추동물 메커니즘)을 억제해야 합니다. 성공적이고 장기적인 혈액 공급을 보장하기 위해 숙주의 광범위한 연구에 따르면 칠성장어 구강샘은 항응고제, 이온 채널 차단제 및 면역 억제제로 기능하는 다양한 단백질을 분비하는 것으로 나타났습니다7,15,16. 그러나 협측선 분비물에 있는 대사산물(세포 대사의 중간체 또는 최종 산물로 작용하는 작은 분자)에 대해서는 자세히 조사된 적이 없습니다. 척추동물 체외 기생충의 소수 그룹 중 하나로서 독특한 계통발생적 위치와 지위를 고려할 때 칠성장어는 특히 혈액 공급 및 기생충에 적합한 독특한 대사산물을 개발했을 것으로 예상됩니다. 이러한 대사산물을 탐지하고 식별하면 칠성장어가 혈액을 섭취하는 방법에 대한 이해가 향상되고 항염증 및 통증 완화에 효과적인 약물 개발에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이를 위해 우리는 14개의 서로 다른 칠성장어 조직에 대한 공간 대사체학 분석을 수행했습니다. 칠성장어 협측선은 흡혈 기관이라는 이유로 특히 조사되었으며, 협측선에서 예상치 못한 풍부하고 독특한 대사 프로파일이 발견되었습니다. 마지막으로, 우리는 칠성장어를 모델 동물로 사용하여 생화학, 임상 화학, 천연물 발견, 의학 및 대사체학 분야의 연구를 촉진하기 위해 칠성장어 공간 대사체학 데이터베이스를 구축했습니다.

= 10 and FDR-adjusted p-value < 0.05). Among them, 272 were tentatively identified and they belonged to over 30 different chemical classes, such as fatty acyls, steroids, and steroid derivatives. These buccal gland-specific mass features are perfect candidates for screening blood-sucking associated metabolites. Notably, a complete kynurenine pathway (KP) was detected in the buccal gland (Fig. 3a). The MS/MS spectrum of each KP pathway metabolite, annotation of their major fragments, and head-to-tail library match plots are shown in Supplementary Figs. 1–6. As clearly shown in the anatomical heatmap, most of the KP metabolites were exclusively accumulated in buccal gland (Fig. 3a, b). For instance, N-formylkynurenine was found between 229.0 and 14676.9 times higher in buccal gland compared to all the other 13 tissues, and kynurenine was between 27355 and 46627.6 times higher in buccal gland (Fig. 3a). In addition, a lamprey buccal gland-specific KP pathway metabolite, namely 3-hydroxykynurenine-O-sulfate23, was also identified with its fold change values ranging from 2713.2 to 47791.6 in buccal gland compared to other tissues (Fig. 3a). Although its function is still unclear, the detection of 3-hydroxykynurenine-O-sulfate in other blood-sucking insects, such as Rhodnius prolixus24, suggests that it might be a blood-feeding related metabolite. The KP is rate-limited by its first enzymes, tryptophan 2,3-dioxygenase (TDO) and indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO), which convert tryptophan into N-formylkynurenine25,26 (Fig. 3a). The expression levels of the two major genes were studied by real-time quantitative PCR (qPCR), and the result showed that TDO was highly expressed in the buccal gland while IDO was mostly in the liver (Fig. 3c)./p> 0.05), fold change analysis showed that the amounts of all the four metabolites were reduced after blood feeding (Fig. 4c–f), suggesting that these metabolites were released from lamprey buccal gland during blood sucking. By contrast, significant statistical differences of three KP metabolites, i.e., N-formylkynurenine, L-kynurenine, and kynurenic acid, were found between BSS and C1, and between BSS and C2 (FDR-adjusted p-value < 0.05) (Fig. 4c–e). Fold change analysis showed that all the four metabolites were highly accumulated in BSS compared to non-blood-sucking sites of the host fish (C1 and C2), demonstrating that the four KP metabolites were transferred from lamprey buccal gland to the sucking site of the host fish. Similarly, the results for another four KP metabolites, i.e., 3-hydroxykynurenine-O-sulfate, anthranilic acid, xanthurenic acid, and 3-hydroxyanthranilic acid, also confirmed that they could be secreted from the buccal gland and injected into the site of attachment of catfish (Supplementary Fig. S11). Although no significant statistical differences were found between the levels of PGs in BGb and BGa (FDR-adjusted p-value > 0.05), the amounts of all four PGs were observed to be reduced in the buccal gland following blood-sucking (Fig. 4g–j). The results also showed that all the four PGs increased in BSS compared to C1 and C2. In particular, PGF2 alpha and PGE2 were statistically higher in the BSS compared to C1 and C2 (Fig. 4h, i)./p> = 10 and FDR-adjusted p-value < 0.05). Our result implies that the buccal gland contains a much broader complexity of small metabolites than previously anticipated. Further statistical analysis, literature search, and biological function analysis led to the identification of two groups of candidate metabolites, i.e., the KP metabolites and prostaglandins (PGs), that may be involved in lamprey blood-sucking./p>

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