《Aquaculture》：AiTFAM modulates growth and thermotolerance of scallop
Argopecten irradians irradians via regulating mitochondrial dynamics
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本研究鉴定了海湾扇贝的TFAM同源基因AiTFAM，发现其具有独特的三HMG域结构，可能与潮间带动态适应相关。时空表达分析显示AiTFAM与mtDNA拷贝数呈正相关，siRNA敲低实验证实其通过调控mtDNA动态影响热耐受性及生长性能，为贝类抗逆育种提供分子标记。
赵晓星|张嘉熙|张俊豪|楚龙飞|阮志成|于超|刘安成|刘建|鲍丽穗|黄晓婷|邢强|鲍振民
中国海洋大学海洋生命科学学院海洋遗传与育种重点实验室，青岛，中国
摘要
线粒体转录因子A（TFAM）是线粒体DNA（mtDNA）复制和转录的核心调节因子，在细胞能量代谢和生理特征调控中起着至关重要的作用。然而，其在海洋双壳类动物中的功能仍知之甚少。在本研究中，通过全基因组同源性筛选，在海扇Argopecten irradians irradians中鉴定出一种TFAM同源物（AiTFAM）。结构和系统发育分析表明，AiTFAM与其在Yesso扇贝中的对应物类似，具有三个高移动性结构域（HMG）——这一特征可能有助于其适应动态的潮间带环境。时空表达分析显示，在胚胎/幼虫发育过程中以及成体组织中，AiTFAM的转录水平与mtDNA拷贝数呈正相关，反映了不同阶段和组织特有的能量需求。利用siRNA介导的RNA干扰进行的功能研究表明，AiTFAM的敲低显著降低了mtDNA拷贝数。在24小时的短期实验中，这种抑制作用降低了个体的耐热性，表现为Arrhenius断裂温度（ABT）下降和速率-幅度积（RAP）提前达到峰值。在30天的长期敲低实验中，AiTFAM的抑制导致生长受阻以及闭壳肌发育出现显著缺陷，表现为肌肉纤维的肥大和增生受损。这些发现表明，AiTFAM通过调节线粒体动态来影响海扇的耐热性和生长，凸显了其作为培育耐逆性和快速生长扇贝品种的分子标记物的潜力。
引言
线粒体是真核细胞中的重要细胞器，参与多种关键生理过程，包括无机非金属代谢（Adeva等，2012；Paul等，2021）、糖异生（Passarella等，2021）、氨基酸合成（Kummer和Ban，2021）以及氧化磷酸化——能量产生的主要途径（Spinelli和Haigis，2018）。在生物体层面，线粒体在塑造生长和抗逆性等关键生理特征方面起着关键作用（Liu等，2025）。在哺乳动物中，线粒体动态——包括分裂、融合、线粒体自噬、生物发生、运动性、线粒体DNA（mtDNA）复制和转录——通过调节代谢和蛋白质稳态共同控制肌肉干细胞的再生，从而调节肌肉生长（Hong等，2022）。线粒体还调节线粒体自噬，以增强在心脏缺血损伤等条件下的应激反应（Zhao等，2024）。对于生活在复杂且环境多变的海洋变温动物来说，线粒体功能在促进生长和环境适应方面尤为重要。例如，在种间杂交鱼的生长中，具有相同核基因组但线粒体来源不同的后代在体长上表现出显著差异（Ren等，2025）。在Dicentrarchus labrax的红肌细胞中，线粒体细胞色素c氧化酶活性和质子泄漏呼吸与生长速率密切相关（Quéméneur等，2022）。性别特异性的线粒体基因表达调节Tigriopus californicus的寿命（Li等，2024），而抑制有氧呼吸效率使深海鱼类能够适应高压和低氧环境（Shen等，2019）。海洋软体动物在海洋生态系统中占据最大生物量，它们高度依赖线粒体调节来应对环境变化。它们通过增强线粒体无氧代谢来提高耐缺氧能力（Ballantyne，2004），并调节线粒体活性氧（ROS）的产生和mtDNA稳定性，从而影响细胞和生物体的寿命（Dégletagne等，2016）。在双壳类动物Mytilus edulis中，线粒体ATP合成和细胞质能量耦合与个体生长呈正相关（Sukhotin等，2020）。进一步研究表明，该物种通过促进线粒体分裂和减少融合来隔离受损线粒体，以应对缺氧-再氧合 stress（Steffen等，2020）。此外，动态的线粒体基因表达增强了Sinonovacula constricta的硫化物耐受性（Chen等，2021）。这些研究共同强调了线粒体动态在塑造海洋双壳类动物特征中的关键作用。
线粒体转录因子A（TFAM）是一种位于线粒体基质中的核心核编码DNA结合蛋白，含有保守的高移动性结构域（HMG）（Ngo等，2011；Campbell等，2012）。TFAM通过与mtDNA启动子结合来调节线粒体基因组的复制和转录，同时维持mtDNA的结构稳定性，从而成为线粒体功能稳态的关键调节因子（Huh等，2024）。TFAM主要通过调节线粒体动态来发挥其生物学功能，这对线粒体融合-分裂事件和代谢活动至关重要。越来越多的证据表明，TFAM通过这一调节途径参与多种生理过程：在细胞应激下，它通过自溶酶体途径靶向并清除泄漏的mtDNA，从而抑制炎症反应（Liu等，2024a；Liu等，2024b）——这一机制在多器官应激适应中非常重要（Desdín-Micó等，2020；Wu等，2023）。此外，TFAM调节线粒体动态以影响肌肉再生，这是衰老研究的重要进展（Kremer等，2025）。目前，大多数TFAM研究集中在哺乳动物模型上，极大地提高了我们对其在人类疾病发病机制中作用的理解（Ghazal等，2021；Longo等，2023；Song等，2024）。相比之下，关于海洋无脊椎动物中TFAM的研究仍然有限，其在这些生物体中调节线粒体动态的生理功能和调节机制需要进一步研究。
双壳类水产养殖被认为是一种环保的水产养殖模式，具有显著的经济效益（Jones等，2022；FAO，2025）。在主要养殖物种中，海扇（Argopecten irradians irradians）在全球范围内广泛养殖（Robinson等，2016）。自20世纪80年代引入中国以来，该物种已成为中国北方沿海水产养殖的主要品种，因其生长迅速、繁殖能力强和营养价值高而受到重视（Guo和Luo，2016）。然而，该行业现在面临生长性能下降和抗逆性不足等挑战，这威胁到了其可持续发展（Zhao等，2021；Tomasetti等，2023）。在我们之前的研究中，通过全基因组关联研究（GWAS）鉴定出转录共激活因子p15（PC4）是影响海扇耐热性的关键基因（Zhu等，2021）。功能表征显示，PC4调节mtDNA转录活性和心肌生物电活动，从而影响耐热性（Liu等，2022；Chang等，2024）。有趣的是，PC4的敲低导致TFAM的表达水平升高，两者表达水平之间存在强相关性（Chang等，2024），表明TFAM是PC4介导的耐热性的下游效应因子。鉴于TFAM在线粒体功能中的核心作用，这些发现共同表明TFAM可能在海扇的生长和抗逆性中发挥关键调节作用。
在这项研究中，我们对海扇中的TFAM（命名为AiTFAM）进行了全面的功能分析，旨在阐明其在生长和抗逆性特征中的调节作用。通过全基因组同源性筛选和结构预测鉴定出AiTFAM。通过与不同进化节点关键物种的TFAM同源物的多序列比对以及系统发育构建，揭示了AiTFAM的结构保守性和系统发育关系。我们进一步研究了其在胚胎/幼虫发育过程中的时空表达模式以及成体组织中的表达情况，并将这些表达谱与mtDNA拷贝数相关联，以评估AiTFAM表达与mtDNA动态之间的联系。利用siRNA介导的RNA干扰（RNAi），我们功能性地研究了AiTFAM在调节海扇耐热性和生长中的作用。我们的发现表明，AiTFAM调节海扇的mtDNA动态、抗逆性和生长表现，为线粒体在海洋双壳类动物特征形成中的作用提供了新的见解，并支持了扇贝养殖的可持续发展。
部分摘要
TFAM的鉴定和序列分析
从NCBI数据库（
https://www.ncbi.nlm.nih.gov）获取了来自脊椎动物、脊索动物、尾索动物和无脊椎动物的TFAM蛋白同源序列（补充表1）；数据访问时间为2025年7月7日。通过TBLASTN和BLAST序列筛选，鉴定了Argopecten irradians irradians的TFAM（AiTFAM）的基因和蛋白质序列（Grouzdev等，2024）。AiTFAM的开放阅读框（ORF）、蛋白质分子量等信息也被确定。
AiTFAM的鉴定和结构特征
通过对海扇基因组进行基于同源性的筛选（Grouzdev等，2024），鉴定出一个TFAM同源物，命名为AiTFAM。AiTFAM基因位于4号染色体上，长度为13,356 bp，由9个外显子和8个内含子组成，所有外显子均遵循GU-AG剪接规则（图1A）。AiTFAM的编码序列（1179 bp）编码一个包含392个氨基酸的蛋白质。AiTFAM的预测二级结构包括17个α螺旋、24个β链、12个卷曲和22个转角（图1B）。
讨论
海扇养殖的可持续发展目前面临两个主要问题：夏季热浪期间生长受阻和死亡率较高（Zhao等，2021；Tomasetti等，2023）。因此，揭示调节生长和耐热性的分子机制对于该行业的高质量发展至关重要。作为能量代谢的核心细胞器，线粒体在塑造这些特征中起着关键作用。
结论
本研究对海扇中的AiTFAM进行了鉴定、表达分析以及耐热性和生长特征的的功能验证。AiTFAM独特的三个HMG结构域可能代表了其对多变海洋环境的特异性适应。时空表达分析显示，AiTFAM的表达与mtDNA拷贝数之间存在紧密相关性，反映了不同组织和阶段的能量需求。功能实验证实了AiTFAM的作用...
CRediT作者贡献声明
赵晓星：撰写——原始草稿、可视化、软件使用、方法论、调查、数据分析、概念化。张嘉熙：撰写——原始草稿、调查、数据分析、概念化。张俊豪：资源提供、调查。楚龙飞：调查。阮志成：调查。于超：数据管理。刘安成：调查、数据管理。刘建：资源提供、调查。鲍丽穗：方法论、数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了山东省自然科学基金（ZR202110220004）、山东省优秀青年科学家海外基金（2023HWYQ-063）、国家重点研发计划（2022YFD2400301）、山东省重点研发计划（2025LZGC036）、中国农业部和海洋渔业局的农业研究系统（CARS-49）以及中央高校基本科研业务费（202461039、842441001）的支持。
