整合性的转录组学和代谢组学分析揭示了Fejervarya multistriata物种尾部再吸收的分子机制

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Integrative transcriptome and metabolome analyses reveal molecular mechanisms of tail resorption in Fejervarya multistriata

尾巴吸收机制及Fejervarya multistriata多组学分析揭示MMP降解、自噬和凋亡协同作用。

　　

李万竹|张家慧|王大海|何金凡|周旭婷文|王宏远

陕西师范大学生命科学学院，中国西安，710119

摘要

尾部吸收是两栖动物变态过程中的一个显著特征，但其背后的分子机制尚未完全明了。为了解决这些问题，我们结合了形态学、组织学、转录组学和代谢组学分析来研究Fejervarya multistriata的尾部吸收过程。在变态过程中，蝌蚪的尾部逐渐退化，而四肢则逐渐发育成熟。相应地，编码运动蛋白的基因在尾部表达水平低于后肢，这支持了从尾部运动向四肢运动的功能转变。尾部吸收由三个细胞过程驱动：MMP介导的细胞外基质（ECM）降解、自噬和凋亡。我们的转录组分析揭示了参与这些过程的关键调控基因，包括与ECM相关的基因（mmp9、mmp14和mmp18）、与自噬相关的基因（atg4、gabarap、atg12和atg16l）以及与凋亡相关的基因（bid、bax、apaf1、casp7和casp9）。代谢组学数据表明棕榈酰肉碱（palmitoylcarnitine）和pAzPC可能是凋亡的潜在指标。总体而言，我们的发现为尾部吸收的分子机制提供了新的见解，并为未来的相关研究提供了多组学资源。

引言

两栖动物的变态是一个高度协调的生物过程，它推动了从水生到主要陆生生活方式的转变（Wang等人，2019b）。在这个过程中，生物体的结构和功能发生了广泛的重组，以适应栖息地的变化（Combes等人，2004；Zhu等人，2020）。具体来说，运动方式从以尾部为中心的轴向游泳转变为以四肢为中心的推进；胃肠道和肝脏被重塑以适应新的饮食需求；呼吸系统也发生了改变，以便更有效地从空气中提取氧气（Rauscent等人，2006；Chang等人，2022；Chang等人，2024）。最终，这些协调的形态和生理变化使两栖动物能够成功完成从水生环境到陆地环境的过渡。

尾部吸收是变态过程中的一个独特事件（Gosner，1960；Simmons，2019；Chang等人，2024）。在这个阶段，比蝌蚪躯干长两倍多的尾部在几天内完全被吸收（Nakai等人，2017）。这一过程涉及尾部所有组成组织的退化，包括表皮、真皮、肌肉、血管、脊索和神经组织（Divya等人，2010；Nakajima等人，2020）。到目前为止，已经提出了三种主要的尾部吸收机制：基质金属蛋白酶（MMP）介导的ECM降解、自噬和凋亡。先前的研究表明，在Xenopus laevis蝌蚪快速尾部退化期间，MMP的表达显著升高（Fujimoto等人，2007），而用MMP抑制剂处理蝌蚪可以显著延缓尾部吸收（Jung等人，2002）。此外，最近一项关于Bufo gargarizans蝌蚪的研究报告称，尾部退化减弱伴随着自噬相关基因表达的下调（Wang等人，2024a）。此外，在Rana rugosa退化的尾部肌肉中发现了典型的凋亡特征，如DNA片段化和casp3/9的激活（Hanada等人，2003）。

Fejervarya multistriata广泛分布于亚热带和热带地区，栖息地多样，包括稻田、沟渠、公园和林地（Lalfakawmi等人，2020；Lei等人，2024；Cao等人，2025）。近年来，该物种已成为研究生理可塑性和环境适应性的重要模式生物。特别是，F. multistriata的染色体水平基因组已被测序，揭示了其应对冬眠和缺氧的关键分子适应机制（Lv等人，2024）。此外，其应对热应激的转录组可塑性，如能量代谢和氧化磷酸化的变化，也得到了新的记录（Xu等人，2025）。尽管最近的研究主要集中在成体的环境适应性上，但控制其发育关键阶段的分子网络——尤其是能量需求极高的尾部吸收过程——仍然尚未得到探索。

本研究采用了一种综合方法，结合了形态学、组织学、转录组学和代谢组学分析，来研究F. multistriata的尾部吸收机制。首先，分析了蝌蚪在不同变态阶段的形态和组织学变化。接下来，比较了后肢和尾部组织的转录组，以识别与尾部吸收相关的差异表达基因（DEGs）。最后，使用超高性能液相色谱-串联质谱（UHPLC–MS/MS）来描绘这两种组织之间的代谢变化。我们的发现为理解控制尾部吸收的分子机制提供了新的见解，并促进了人们对两栖动物变态过程的理解。

实验动物

从中国陕西省秦岭山脉（109°06′52″E，34°00′56″ N）收集了五对F. multistriata繁殖成体。将F. multistriata成体饲养在含有少量水（50毫米）的水族箱中，以获得受精卵。这些卵在深度为50毫米的去氯自来水中进行孵化。然后将幼体分为三组。所有组都被放置在装有5升去氯水的5升水族箱中，保持22±1°C的温度，每天12小时

F. multistriata蝌蚪的形态测量

在Gs37至Gs46期间，F. multistriata蝌蚪的尾部正在吸收，同时四肢也完全发育（见图1）。蝌蚪的尾部长度从Gs37增加到Gs40，达到最大值16.15±0.85毫米。在Gs40到Gs43期间，尾部长度缩短了10.58毫米，约为Gs37时长度的74%。相比之下，后肢长度增加了3.9毫米，接近Gs40时后肢长度的一半。到Gs46时，蝌蚪的尾部完全被吸收。

运动方式的转变

蝌蚪变态的特点是尾部退化和四肢生长（Nakajima等人，2018）。我们的形态数据显示，从Gs40到Gs42，尾部长度逐渐缩短，而后肢迅速发育。在Gs42之后，尾部长度急剧减少直至完全吸收，而后肢伸长的速度则放缓。这些形态变化与之前在Rana chensinensis和B. gargarizans中的观察结果一致（Wang等人，2022a；Wang等人

结论

总之，在Gs42阶段，F. multistriata蝌蚪后肢中运动蛋白基因（tnnt、tpm、myl、myh和acta2）的表达增加，这与从尾部摆动到四肢推进的转变相关，促进了从水生到陆生的过渡。尾部吸收是一个复杂的过程，由三种机制共同调控，包括MMP介导的ECM降解、自噬和凋亡。尾部吸收的详细分子机制在图7中进行了说明。

CRediT作者贡献声明

李万竹：撰写——原始草稿，研究，数据管理。张家慧：撰写——审阅与编辑，可视化，软件应用。王大海：验证，研究，数据管理。何金凡：数据管理。周旭婷文：软件应用。王宏远：研究，资金获取。

伦理声明

本研究中动物的饲养和使用得到了陕西师范大学动物伦理与福利委员会的批准（批准编号202612019）。

资助

本工作得到了中国陕西省自然科学基金的支持（编号：2023-JC-YB-213。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。