GCN5在海参（Apostichopus japonicus）中的特征、转录调控及其免疫响应作用

《Aquaculture》：Characterization, transcriptional regulation and immune-responsive roles of GCN5 in the sea cucumber Apostichopus japonicus

本研究克隆了海月水母GCN5全长cDNA（3666 bp，含ORF 2499 bp），揭示其具有PCAF_N、溴域和乙酰转移酶功能域，进化分析显示与棘皮动物亲缘关系近。RNA干扰结合转录组测序表明GCN5调控糖代谢、自噬、核糖体蛋白合成等通路。LPS刺激后，GCN5表达上调并协同TNF、TRAF3、NF-κB等免疫基因表达，证实其在免疫应答中的关键作用。

　　

王春雪|辛倩|张静静|于婉莹|夏斌|徐东雪

青岛农业大学海洋科学与工程学院，中国山东省青岛市266109

摘要

通用控制非抑制蛋白5（GCN5）是一种关键的组蛋白乙酰转移酶，它特异性地乙酰化H3K9和H4K16等赖氨酸残基，从而介导染色质重塑和转录调控。海参Apostichopus japonicus属于棘皮动物门，为研究基因调控网络如何进化提供了一个出色的模型系统。在本研究中，我们旨在从A. japonicus中克隆GCN5的全长cDNA，分析其序列特征，探讨其转录调控作用，并通过脂多糖（LPS）刺激来阐明其在免疫反应中的功能。GCN5的全长cDNA为3666 bp，包含一个2499 bp的开放阅读框（ORF），编码832个氨基酸，具有保守的PCAF_N结构域、溴结构域和乙酰转移酶结构域。系统发育分析表明它与其他棘皮动物有密切关系。GCN5敲低后的转录组分析显示，它对葡萄糖代谢、自噬、核糖体蛋白和免疫反应有显著影响。此外，LPS刺激诱导了GCN5及其关键免疫相关基因（TNF、TRAF3和NF-κB）的上调，表明其在免疫调节中的关键作用。总体而言，本研究为GCN5在A. japonicus中的结构和功能作用提供了新的见解，突出了其在协调代谢和免疫途径中的重要性。

引言

组蛋白乙酰转移酶（HATs）是催化组蛋白赖氨酸残基乙酰化以调节染色质结构和基因转录的关键酶（Berger, 2002）。HATs广泛参与细胞代谢、增殖、分化和应激反应等关键生物过程（Haque et al., 2021; Roth et al., 2001）。通用控制非抑制蛋白5（GCN5）和p300/CBP相关因子（PCAF）被确定为HAT家族的两个关键成员，它们特异性地乙酰化H3K9和H4K16等赖氨酸残基，从而介导染色质重塑和转录调控（Fournier et al., 2016; Roth et al., 2001）。GCN5和PCAF的存在显示了它们在不同物种间的特异性。GCN5和PCAF存在于某些脊椎动物中，如斑马鱼和小鼠（Sen et al., 2018）。相比之下，仅在植物、酵母和一些无脊椎动物中发现了GCN5的同源物（Pandey et al., 2002; Roth et al., 2001）。研究发现，这两种HAT的功能在不同细胞过程中有所不同。在小鼠B细胞中，GCN5缺乏会导致发育延迟，而在GCN5/PCAF双重缺乏的细胞中这种延迟更为严重。相比之下，单独删除PCAF并不会导致明显的发育异常（Oksenych et al., 2021）。此外，GCN5在细胞命运决定、应激反应和代谢平衡中起着关键作用。例如，GCN5通过降解Cyclin A来决定Drosophila生殖干细胞的命运（Liu et al., 2017）。在Arabidopsis thaliana中，它调节热休克蛋白（HSP）基因以增强耐热性（Hu et al., 2015）。在哺乳动物小鼠中，已证明GCN5可以通过乙酰化关键因子PGC-1α来调节血糖稳态（Lerin et al., 2006）。早期研究预测哺乳动物PCAF在控制细胞生长和分化中起关键作用（Koutelou et al., 2021）。此外，研究表明GCN5可能参与免疫调节。例如，在哺乳动物巨噬细胞中，GCN5被证实可以乙酰化转录因子p65（RelA），这种乙酰化调节了促炎细胞因子（如TNF-α和IL-6）的表达（Cho et al., 2025）。此外，GCN5和PCAF在调节T细胞分化中起重要作用，包括Th1/Th2平衡（Gao et al., 2017）。

棘皮动物门与脊索动物门和半索动物门一起构成了后口动物门（Deuterostomia）的主要群体（Satoh et al., 2014）。棘皮动物从两侧对称的祖先演化出了高度特化的身体结构，与其他后口动物有显著差异（Lowe and Wray, 1997）。棘皮动物为研究基因调控网络如何进化提供了一个出色的模型系统（Hinman and Cheatle Jarvela, 2014）。海参Apostichopus japonicus属于棘皮动物门中的海参纲（Zhang et al., 2023）。海参分解海底的碎屑和其他有机物，它们的摄食和排泄活动通过营养循环提高了底栖生产力（Martín-Hernández et al., 2021）。由于海参在维持海洋生态系统中的关键作用及其在亚洲市场的巨大经济价值，许多研究集中在气候变化（如全球变暖和海洋酸化）对海参的影响上（Huo et al., 2019; Liu et al., 2025; Yuan and Xie, 2024）。为了应对这些环境变化，海参可能依赖于快速和可塑的调节机制。表观遗传修饰代表了这种精细且可塑的调节方式，对于快速适应环境变化以及协调复杂的生物过程（如发育和免疫）尤为重要（Yang et al., 2020）。尽管在理解A. japonicus的代谢、发育和应激反应中蛋白质编码基因和非编码RNA的功能作用方面取得了显著进展，但关于动态表观遗传调控（尤其是组蛋白乙酰化）在其生理适应和免疫防御中的作用的研究仍然有限（Li et al., 2020; Xu et al., 2018）。在海参夏眠期间，参与DNA甲基化、染色质重塑、组蛋白乙酰化和组蛋白甲基化的表观遗传修饰因子的表达上调（Wang et al., 2011）。进一步的研究表明，热应激会诱导A. japonicus中H3K9的乙酰化发生动态变化，并伴随着多种HATs和HDACs的转录响应（Xu et al., 2022; Zhang et al., 2024）。这些发现突显了组蛋白乙酰化作为关键表观遗传标记在海参应激反应中的潜在重要性。然而，涉及的具体HATs及其在免疫过程中的调控作用尚未明确。

鉴于GCN5在物种间应激反应和代谢中的保守作用，以及其与免疫的新兴联系，以及了解A. japonicus这种生态和经济上重要物种的表观遗传调控的迫切需求，我们假设GCN5在海参的免疫调节中起着关键作用。为了验证这一假设并填补知识空白，我们首先从海参A. japonicus中克隆了GCN5的全长cDNA，分析了其序列特征并确定了其组织特异性表达模式。然后，我们利用RNA干扰结合转录组测序来研究GCN5敲低后的全局转录影响，以识别其调控下的关键生物途径。最后，为了直接阐明GCN5在免疫反应中的具体功能，我们在脂多糖（LPS）刺激后检测了GCN5和关键免疫基因的表达。总体而言，我们的研究为棘皮动物模型中GCN5的功能和分子调控网络提供了新的见解，特别关注其在连接表观遗传调控和免疫功能方面的潜在作用。

实验动物

本研究中使用的海参分别于2024年6月和2025年10月从山东省烟台市的一个水产养殖场获得。到达实验室后，所有个体在控制条件下适应了2周，温度维持在18°C，盐度为30‰。适应期间，它们每天喂食一次藻粉和海泥（w/w?=?1:15），每日摄入量为体重的5%（Liu et al., 2024）。未食用的饲料和粪便被

A. japonicus中GCN5全长cDNA序列的分析

A. japonicus中的GCN5全长cDNA为3666 bp，包含一个2499 bp的开放阅读框（ORF），编码832个氨基酸，一个28 bp的5′-非翻译区（5’-UTR）和一个1139 bp的3′-非翻译区（3’-UTR）（GenBank登录号：PX548724）。推导出的氨基酸序列包含三个特征性结构域：PCAF_N结构域（43–297 aa）、溴结构域（734–812 aa）和乙酰转移酶结构域（521–621 aa）（图1）。使用NetPhos 3.1进行分析

海参中GCN5的结构和功能域

GCN5是一种进化上高度保守的组蛋白乙酰转移酶，其功能依赖于多个结构域的协同作用。本研究对海参GCN5同源物的序列分析表明，它具有三个标志性结构域：PCAF_N、乙酰转移酶和溴结构域。这三个结构域在包括人类、小鼠、斑马鱼以及棘皮动物在内的多个物种中高度保守，突显了它们的关键功能重要性

结论

本研究首次克隆并表征了海参A. japonicus中的GCN5 cDNA序列。我们的结果还提供了GCN5在调节代谢、自噬、核糖体生物发生以及免疫反应中的核心作用的证据。LPS刺激后GCN5和关键免疫基因（TNF、TRAF3和NF-κB）的表达进一步表明了GCN5在免疫反应中的功能。这项研究不仅增强了我们对GCN5结构和功能的理解

CRediT作者贡献声明

王春雪：撰写——原始草稿、方法学、数据管理。辛倩：方法学。张静静：数据管理。于婉莹：验证。夏斌：撰写——审阅与编辑、资金获取。徐东雪：撰写——审阅与编辑、资金获取、数据管理、概念化。

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

本研究得到了国家自然科学基金（42276143、32473186和32273159）、山东省自然科学基金（ZR2022MC050）、山东省现代农业产业体系（SDAIT-22-02）以及山东省一级渔业学科计划的支持。