《Aquaculture》：Single-nucleus multi-omics reveals neuronal regulatory networks underlying brain responses to heat stress in largemouth bass
编辑推荐：
热胁迫下大口黑鲈脑细胞分子重编程与转录调控机制研究。通过单细胞转录组和表观组测序，鉴定出8类脑细胞亚群，发现兴奋性神经元亚群Neu2通过slc17a7a和fat2基因表达显著重塑。整合分析揭示热应激激活内质网应激和凋亡通路，促进神经元分化。cis-调控网络解析显示Tcf4、Tcf12、Nfia和Etv1是关键转录因子，为揭示变温动物神经适应性提供新视角。
王文婷|谢洪帅|严晨宇|徐园|陈良标|黄松倩|胡鹏
教育部水生遗传资源探索与利用重点实验室，上海海洋大学，上海201306，中国
摘要
在全球气候变化的背景下，了解硬骨鱼类大脑如何适应热应激变得越来越重要，然而特定细胞类型的分子机制仍大部分未知。在这里，我们利用单核RNA测序（snRNA-seq）和单核ATAC测序（snATAC-seq）来分析受热应激和对照组大口黑鲈（Micropterus salmoides）脑细胞的转录和表观基因组反应。我们识别出八种主要的脑细胞群体，并系统地表征了它们在热应激下的细胞类型特异性基因表达和染色质可及性特征。综合分析显示，在由slc17a7a和fat2表达定义的兴奋性神经元亚群中发生了显著的热诱导分子重塑。伪时间轨迹分析表明，热应激促进了神经元向兴奋性谱系的分化，同时激活了内质网应激和凋亡途径。基于snATAC-seq数据的顺式调控网络推断表明，Tcf4、Tcf12、Nfia和Etv1是调控神经元热应激反应的关键转录因子。这些发现为理解变温脊椎动物热适应过程中的脑细胞类型异质性和转录调控提供了新的见解。尽管样本量和细胞数量有限，需要谨慎解读这些结果，但我们的研究为水生物种的单细胞多组学分析建立了一个综合分析工作流程，为解码水生动物的环境应激反应提供了宝贵的资源和方法论途径。
引言
温度是影响鱼类关键生理过程的基本环境因素，包括生长、发育、代谢和生存（Islam等人，2022年）。全球气候变化导致极端热事件的发生频率增加，这对水生变温动物构成了严重挑战，表现为1）呼吸效率降低和运动性能受损（Li等人，2024a，2024b，2024c），2）免疫功能和抗氧化能力减弱（Liu等人，2022年；Armobin等人，2023年），以及3）诱导凋亡途径，从而增加死亡风险（Topal等人，2021年）。作为变温生物，鱼类完全依赖环境温度来维持生理稳态，而大脑作为神经调节和应激整合的中心枢纽，特别容易受到温度波动的影响。最新研究表明，热应激会引起广泛的细胞紊乱，包括内质网（ER）应激（Zhao等人，2022年；Huang等人，2025年）、氧化损伤积累（Yu等人，2023年）、基因组不稳定、凋亡信号通路的激活以及促炎反应增强（Sun等人，2021年；Esam等人，2022年；Ma等人，2023年）。这些相互关联的病理过程共同导致全身生理紊乱，最终可能导致生物体死亡。
作为神经调节的中心枢纽，大脑对环境温度波动非常敏感，能够快速检测并协调对温度变化的生理反应。在严重热应激条件下，神经系统通过多种机制容易受到功能损害，包括脑组织结构损伤、神经回路紊乱和行为输出改变（Islam等人，2022年）。脑细胞发育是一个由内在遗传程序和外在环境信号共同驱动的复杂过程。在这个系统中，神经元通过电化学传递作为主要的信号单位，而胶质细胞（包括星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞）则承担着代谢调节、髓鞘形成、免疫防御和突触调节等关键支持作用（Bigbee，2022年）。不同细胞类型之间的精确协调对于维持神经完整性和大脑稳态至关重要。然而，对这些不同神经成分对热应激的细胞类型特异性反应的理解仍然有限，特别是在它们的细胞类型特异性脆弱性和适应策略方面。
单细胞多组学技术的最新进展，特别是单核RNA测序（snRNA-seq）和单核转座酶可及性染色质测序（snATAC-seq），极大地提高了研究细胞异质性的分辨率。这些高通量方法允许在单细胞水平上同时分析转录组特征和染色质可及性特征，为识别不同的神经群体及其潜在的分子特征提供了强大的工具。在硬骨鱼类模型中，单核组学的应用为神经发育过程（如细胞命运决定、神经元分化和对病原体刺激的免疫反应）提供了宝贵的见解（Pandey等人，2023年；Shainer等人，2023年）。其中，snRNA-seq在阐明大脑发育和功能的分子基础方面尤为具有变革性。例如，在病毒挑战下对斑点石斑鱼（Epinephelus coioides）大脑的应用成功描绘了参与宿主防御机制的转录反应（Wang等人，2021年）。总体而言，这些方法论进步现在为以前所未有的分辨率解析水生生物对环境压力的细胞类型特异性反应提供了强大的机会。
大口黑鲈（Micropterus salmoides）是一种具有商业价值的淡水养殖物种，因其生长迅速和高市场价值而受到重视。然而，其对温度升高的敏感性在全球气候变化下带来了日益严峻的挑战。环境温度的升高和热浪的频繁发生显著影响了大口黑鲈的生产效率和存活率。尽管先前的研究已经确定了该物种中一系列对热响应的基因和途径（Du等人，2024年；Li等人，2024a，2024b，2024c），但神经组织中热响应的细胞类型特异性机制仍大部分未被探索。我们之前对头部肾脏的大规模转录组和表观基因组分析表明Ctcf和Atf4是参与染色质重塑和热诱导基因表达的关键调节因子（Huang等人，2025年）。为了将这些发现扩展到中枢神经系统，我们对受热应激的大口黑鲈脑细胞进行了综合的snRNA-seq和snATAC-seq分析。这种多组学策略使我们能够全面表征不同神经细胞群体（包括不同的神经元亚型和胶质细胞谱系）的染色质可及性动态、转录因子调控网络和基因表达程序。伪时间轨迹分析进一步揭示了热诱导的神经元分化途径紊乱。总的来说，我们的发现为理解经济重要硬骨鱼类对环境变化的神经适应性反应提供了新的见解。
部分摘录
伦理声明
所有涉及动物的实验程序均遵循上海海洋大学动物研究与伦理委员会批准的伦理标准和指南（批准编号SHOU-DW-2023-076），并严格遵循ARRIVE指南2.0。
实验设计和样本收集
共90条Youlu No. 3大口黑鲈幼鱼，平均体重为13.25±2.14克，总长度为9.2±1.1厘米（平均值±标准差），在循环水系统中适应了两周
热应激下大口黑鲈大脑的细胞组成
为了探索大口黑鲈大脑对热应激的细胞反应，我们对暴露于热应激（HT，37°C）和对照条件（NT，28°C）下的脑样本进行了单核RNA测序（snRNA-seq）（图1A）。使用DNBelab C系列平台进行核分离和文库制备，我们获得了8231个高质量核，NT组每个细胞的平均读数为10,163个，HT组每个细胞的平均读数为8068个（补充表S1），得到
讨论
热不耐受是商业重要鱼类养殖的一个关键限制因素。尽管先前的研究已经阐明了大口黑鲈对热应激的分子反应（Xv等人，2024年；Chen等人，2025年；Huang等人，2025年），并确定了应激敏感的大脑区域和潜在的生物标志物（Li等人，2024a，2024b，2024c），但这些反应背后的细胞机制仍不清楚。为了填补这一知识空白，我们
CRediT作者贡献声明
王文婷：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法学，研究，正式分析。谢洪帅：软件，方法学，研究，数据管理。严晨宇：验证。徐园：研究。陈良标：监督，资源，项目管理。黄松倩：撰写——原始草稿，监督，项目管理，概念化，撰写——审稿与编辑。胡鹏：监督，资源，项目管理。
资助
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号32341061给P.H.，以及32403003给S.H.）、上海自然科学基金（资助编号23ZR1426800给S.H.）和CSPFTZ临港特殊区域海洋生物医学创新平台的SciTech资助的支持。
