协调代谢重编程和外泌体分泌：SIRT1/HIF-1α在低氧环境下对金鲷鱼的双重作用

金鲈鱼缺氧适应机制研究中发现SIRT1/HIF-1α信号轴通过调控外泌体释放介导代谢重编程，抑制SIRT1导致HIF-1α稳定激活，上调糖酵解相关基因并促进外泌体分泌，其miRNA成分通过细胞间通讯调控能量代谢。

陈月|韩珊英|钟泽鑫|金春秀|方庚辉|周小丽|宋飞彪|罗健|孙俊龙

海南大学海洋生物与渔业学院，海南大学三亚南繁研究院，海南水产养殖工程技术研究中心，海口570228，中国

摘要

金鼓鱼（Trachinotus blochii）是一种高价值但对缺氧敏感的海水养殖物种。本研究阐明了其代谢适应急性缺氧的分子机制，重点关注SIRT1/HIF-1α信号轴与外泌体介导的通讯之间的相互作用。我们将鱼置于缺氧环境（2.0 mg/L DO）中，并使用药物工具（SRT1720和EX527）来调节SIRT1的活性。缺氧导致肝脏中NAD⁺/NADH比率迅速下降，从而抑制了SIRT1的活性。这种抑制作用使得HIF-1α稳定下来，并随后上调了关键的糖酵解基因（GLUT-1、HK、PK、PFK1、LDHA），促使代谢向无氧方向转变。同时，缺氧显著增加了肝脏产生的外泌体分泌，这一过程与SIRT1的抑制有关。对外泌体miRNAs的高通量测序发现了一些差异表达的miRNAs，包括miR-34a、let-7b/i和miR-92b-3p，这些miRNAs在丙酮酸代谢等代谢途径中富集。SIRT1的功能调控证实了其核心作用：在缺氧条件下激活SIRT1可以逆转代谢和外泌体的变化，而在常氧条件下抑制SIRT1则可以模拟缺氧表型。这些发现表明SIRT1/HIF-1α具有双重调控作用——它既协调细胞内的代谢重编程，又调控携带特定miRNAs的外泌体的释放。这种整合机制协调了细胞自主反应和组织间的相互作用，为理解硬骨鱼的缺氧适应提供了新的框架，并指出了提高水产养殖抗逆性的潜在靶点。

引言

金鼓鱼（Trachinotus blochii）是中国南部沿海集约化养殖中的关键经济物种，因其生长迅速且适合大规模养殖而备受重视，已成为产量最高的海水养殖物种（中国渔业统计年鉴编辑委员会，2024年）。然而，作为一种对氧气需求较高的远洋鱼类，它对缺氧特别敏感。溶解氧（DO）水平低于3.0 mg/L会严重损害其代谢、生长和免疫功能，导致显著的生产损失（San等人，2021年）。由于气候变化和集约化养殖实践，缺氧事件的频率不断增加，因此了解金鼓鱼的缺氧适应分子机制对于该行业的可持续发展至关重要。

在氧气受限的情况下，鱼类会进行代谢重编程以维持能量平衡。这包括从有氧呼吸转向无氧糖酵解，以及调整能量利用和酶活性以保存ATP（Farhat等人，2021年）。这种适应性反应的核心调节因子是缺氧诱导因子-1（HIF-1），它由α和β亚基组成的异二聚体（Gilman，2020年）。在常氧条件下，HIF-1α会持续降解，但在缺氧条件下，HIF-1α会稳定下来，使其与常备伴侣HIF-1β二聚化，激活促进无氧代谢、血管生成和红细胞生成的基因（Li等人，2018年；Serra-Pérez等人，2010年）。这包括上调糖酵解酶以通过糖酵解产生ATP，尽管乳酸是副产物。

HIF-1α的活性受到细胞代谢状态的精细调控，特别是通过NAD⁺/NADH比率和NAD⁺依赖的去乙酰化酶SIRT1（沉默信息调节因子1）（Geng等人，2014年）。SIRT1作为氧化还原传感器，在NAD⁺/NADH比率较高的常氧条件下，活性的SIRT1会去乙酰化HIF-1α，从而促进其降解，抑制缺氧反应（Shao等人，2014年）；相反，在缺氧条件下，NAD⁺/NADH比率降低，抑制SIRT1的活性。这导致HIF-1α乙酰化、稳定，并激活其转录程序，形成一个正反馈循环，增强糖酵解通量（Dasgupta等人，2012年）。因此，SIRT1/HIF-1α轴是缺氧适应的关键代谢开关。

成功适应缺氧可能需要不同组织之间的通讯。我们之前的研究表明，在缺氧期间肝脏和肌肉之间存在协同的代谢相互作用（Sun等人，2021年；Sun等人，2020a年），强调了组织间协调的重要性。外泌体——这些小型细胞外囊泡（30–150 nm）携带蛋白质、脂质和核酸（如microRNAs（miRNAs）——已成为这种通讯的关键媒介（Valadi等人，2007年）。缺氧本身可以刺激外泌体的生成和释放。乳酸积累产生的酸性微环境促进了外泌体的分泌（Pathania和Challagundla，2021年；Ban等人，2015年），而HIF-1α可以直接上调参与囊泡运输的成分（Choudhry和Harris，2018年；Zhang等人，2017a年）。此外，在缺氧条件下抑制SIRT1与溶酶体功能改变和外泌体释放增加有关（McAndrews等人，2019年）。一旦分泌，外泌体中的miRNAs可以被受体细胞内化，从而调节基因表达，促进全身代谢适应（Zhao等人，2020年；Tao等人，2016年）。

鉴于SIRT1/HIF-1α轴在代谢调节和外泌体生物学中的相互关联作用，我们假设缺氧通过外泌体促进组织间的代谢协调，这一过程由SIRT1/HIF-1α信号调控。以缺氧敏感的金鼓鱼为模型，本研究旨在：（i）阐明SIRT1/HIF-1α通路在缺氧诱导的代谢重编程中的作用及其对外泌体分泌的影响；（ii）表征缺氧诱导的外泌体miRNA谱型变化及其相关的代谢调控网络。这项研究为理解硬骨鱼的缺氧适应提供了新的见解，并为提高水产养殖物种的缺氧耐受性奠定了理论基础。

实验部分

鱼类准备

共采购了720条健康的金鼓鱼（平均体重：130 ± 10 g），来自海南玲水清丽水产有限公司。这些鱼在三个循环水养殖系统（每个系统2000 L）中适应了七天，水质参数维持在：温度27.1–29.3 °C，溶解氧（DO）6.59–7.05 mg/L，盐度32.0–35.0‰，总氨氮0.06 ± 0.01 mg/L。鱼在自然光照条件下饲养，并喂食商业饲料（占体重的2%）

代谢的生化指标（图1A）

在缺氧条件下，肝脏中的NAD⁺/NADH比率呈下降趋势，显著低于对照组（P < 0.05）。缺氧显著降低了肝脏中的糖原含量（0 h时，P < 0.01），尽管在实验过程中有所上升，但仍显著低于对照组（P < 0.05）。肝脏中的丙酮酸（PA）在缺氧2 小时后显著增加（P < 0.05），但在10 小时后显著下降（P < 0.01）。甘油三酯（TG）和

SIRT1/HIF-1α对缺氧的反应及参与代谢重塑

本研究表明，SIRT1/HIF-1α轴在缺氧应激下作为核心调节节点，协调金鼓鱼的肝脏代谢转变。我们的结果证实，缺氧会迅速降低细胞内的NAD⁺/NADH比率。这种氧化还原扰动直接抑制了SIRT1的活性，SIRT1是一种关键的NAD⁺依赖的去乙酰化酶，其功能与细胞能量状态密切相关（Imai等人，2000年；Lin等人，2000年）。SIRT1的抑制

结论

本研究建立了金鼓鱼缺氧适应的综合性模型，重点关注SIRT1/HIF-1α信号轴及其对外泌体介导的组织间通讯的调控。我们证明，缺氧通过降低NAD⁺/NADH比率来抑制SIRT1，从而激活HIF-1α并驱动代谢向无氧糖酵解方向转变。关键的是，证据证实SIRT1是一个关键的代谢开关，其活性决定了缺氧表型。

CRediT作者贡献声明

陈月：撰写——初稿，研究，正式分析。韩珊英：撰写——初稿，研究，正式分析。钟泽鑫：研究，正式分析。金春秀：研究。方庚辉：验证。周小丽：验证。宋飞彪：撰写——审稿与编辑。罗健：撰写——审稿与编辑，概念构思。孙俊龙：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，资金获取，概念构思。

伦理批准和参与同意

所有实验均按照《中国实验动物护理和使用指南》进行。所有实验程序和样本收集均获得了中国海南大学海洋学院的机构动物护理和使用委员会（IACUC）的批准（批准编号HNUAUCC-2022-00045）。

资助

本研究得到了海南省自然科学基金（编号324RC459）、国家自然科学基金（编号32202902）和海南大学协同创新中心研究项目（编号XTCX2022NYC15）的支持。

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。

致谢

我们感谢田江、郑大、史丽平和孙旭奎在海南大学协助进行鱼类饲养和组织取样工作。