线粒体和过氧化物酶体在鱼类脂肪酸β-氧化中的协作机制研究

Today, the large shortage of fish meal has been a serious problem for aquaculture. Increasing lipids catabolism to produce more physiological energy is a potential way to play "protein sparing effects" and indirectly save dietary protein sources. However, the information about lipids and fatty acids catabolism, especially the cooperation of mitochondria and peroxisome in fatty acids β-oxidation, the most important pathway in lipids catabolism, is still very limited. In the present study using tilapia and zebrafish as models, mitochondria and peroxisome from liver and muscle will be firstly isolated. Different fatty acids will be incubated with the individual or both mitochondria and peroxisomes and the metabolites will be collected and analyzed to know the contribution of the individual or both organelles to the β-oxidation efficiency of these fatty acids. Except for the in vitro study, individual or mixed fatty acids will also be transported into living fish, and blood and tissues will be dissected to perform metabolomics analysis. At the same time, lipids metabolism related measurements will also be applied to investigate the physiological status of the treated fish, in order to explore the cooperating mechanisms of mitochondria and peroxisome in fatty acids β-oxidation in a real status. In short, we hope the present study would help to understand the cooperating mechanisms of mitochondria and peroxisome in fish intaking different lipids sources composed by different fatty acids, and also help to regulate to increase the production of lipids-sourced energy.

在优质蛋白源紧缺的现实情况下，理解鱼类的脂肪分解供能机制并提高其供能比例是节约鱼类饲料蛋白质的可行途径。鱼类的脂肪酸β-氧化代谢是其脂肪分解供能的最重要途径，然而，对鱼类两个负责脂肪酸β-氧化的细胞器-线粒体和过氧化物酶体在这一重要代谢过程中的独立和协同作用机制，至今尚极少有人研究。本项目将利用罗非鱼和斑马鱼作为动物模型，通过使用同位素示踪、细胞和细胞器孵育、色谱/质谱/核磁共振谱代谢组学测定和分子调控等现代生物技术，建立单细胞器-双细胞器培养-细胞培养-正常和特殊生理状态活体模型等一系列研究平台，系统而完整地研究线粒体和过氧化物酶体在细胞和活体状态，以及在正常和脂类代谢异常状态下，对各种不同链长、不同饱和度脂肪酸的独立和协同分解机制。希望能够阐明鱼类线粒体和过氧化物酶体为应对鱼类摄入不同类型脂肪源时的协作分解策略，为真正理解鱼类对不同脂肪源的分解供能机制、人为调控其脂肪供能比例奠定基础。

鱼类的脂肪酸β-氧化代谢是其脂肪分解供能的最重要途径，然而，对鱼类的两个负责脂肪酸β-氧化的细胞器-线粒体和过氧化物酶体在这一重要的代谢机制中所扮演的角色，至今尚极少有人研究。本项目利用罗非鱼和斑马鱼作为动物模型，通过使用同位素示踪、细胞和细胞器孵育、色谱/质谱/核磁共振谱代谢组学测定和分子调控等现代生物技术，在独立细胞器-双细胞器培养-整体细胞培养-正常和复杂生理状态鱼的一系列研究平台上，系统而完整地研究线粒体和过氧化物酶体在细胞和活体状态下，以及在正常和脂类代谢异常状态下，对各种不同链长、不同饱和度脂肪酸的独立和协同分解机制。研究表明：1）鱼类普遍存在线粒体脂肪酸β-氧化和过氧化物酶体β-氧化两条脂肪酸彻底分解路径；2）线粒体脂肪酸β-氧化是鱼类（罗非鱼和斑马鱼）脂肪酸分解的主导路径，而过氧化物酶体脂肪酸β-氧化路径是线粒体路径的次要补充，其活性约为线粒体脂肪酸β-氧化的10%-30%；3）鱼类的线粒体和过氧化物酶体的脂肪酸β-氧化活性存在组织特异性，过氧化物酶体脂肪酸β-氧化在肝脏中较强，在肌肉中较弱；4）鱼类线粒体脂肪酸β-氧化和过氧化物酶体β-氧化为两个相对独立的反应过程，其协同作用较弱，只有在其中一条路径被显著抑制后，另一条路径才会被有限激活，且无法完全弥补单一路径受抑制后造成的脂代谢失衡；5）鱼类线粒体脂肪酸β-氧化和过氧化物酶体β-氧化均受到PPARa等核调控元件调控，但其主导调控路径为线粒体脂肪酸β-氧化调控路径。本项目成果首次在国际上明确了鱼类脂肪酸β-氧化的组成，及线粒体和过氧化物酶体在脂肪酸β-氧化过程中的相互关系；同时，也明确了鱼类脂肪酸β-氧化分解的主导路径为线粒体β-氧化，因此，线粒体β-氧化应成为鱼类脂肪分解调控的主要靶点。这些成果有助于人们针对鱼类脂代谢的关键过程与调控节点研发高效饲料/饲料添加剂和进行种质改良。本项目相关成果已通过12篇论文在Reviews in Aquaculture, Food Chemistry, BBA-Molecular and Cell Biology of Lipids、Fish and Shellfish Immunology等权威期刊发表，并获得包括上海水产学会优秀论文一等奖在内的诸多奖励，相关成果也被《新民晚报》等媒体所报导，得到了学界和社会民众的广泛关注与认可。