高山盐湖卤虫对极端环境适应的AMPK信号途径及分子机制

Artemia, a small crustacean which live in salt lakes on plateaus, has evolved a special process of diapause embryo during long period of stress tolerance. To cope with harsh and complex habitats such as salt lakes, Artemia are able, when the circumstances become adverse, to release their of fspring into a dormant, encysted state, rather than simply releasing swimming nauplius in order to ensure survival. The diapause embryos do not undergo cell division or DNA synthesis and remain in total cell cycle arrest. Even when diapause is terminated, the post-diapause embryos continue cell cycle arrest until the appearance of suitable environments. When external conditions improve, the cell cycle arrest terminates and the encysted embryos proceed to hatch as nauplii. In the diapause state, with reduced metabolic activity and with nucleic acid and protein synthesis turned off, the extended survival of the embryos in harsh environments is enabled. However, the molecular mechanism of the diapause formation of Artemia is still unclear up to date. .In this investigation we will first characterize the AMPK gene expression, variation and distribution of AMPK. Based on the screening of the genes that expressed specific during diapause embryo formation and bioinformatic analyzing of the encoding proteins, we will focus the target molecules related APMK regulation. This study will analyzed the molecular function by RNA interference and gene over expression, and thus clarify the molecular pathways and elucidate the molecular regulation mechanism of AMPK during the Artemia diapause formation. Besides, base upon the salt lake structure and properties of formation during environmental evolvement of the Earth, molecular mechanism of diapause formation and principal of Artemia evolution, the results will insight the special process and form of organism of Aretemia diapause embryo.

小型的海洋甲壳类－卤虫为了适应高山盐湖极端环境经过长期进化形成了休眠胚胎的特殊生命过程。在抵御极端环境的过程中，休眠胚胎通过特殊分子机制形成了长期的细胞周期停滞和胚胎发育间歇，新陈代谢处于完全停滞状态。适宜环境条件下休眠终止并重新启动细胞分裂和胚胎发育。卤虫这种特殊的生命过程和分子机制至今尚未被阐明。本项目针对卤虫休眠过程中AMPK基因表达的基本特征，蛋白质水平的变动规律及在细胞胞质中分布开展研究。在筛选休眠胚胎特异性表达基因的基础上，结合生物信息学分析确定与AMPK调控相关的目标分子。通过基因Knock-Down和基因过表达的功能验证阐明AMPK在卤虫休眠胚胎形成过程中调控的分子途径和和作用机制。此外，开展高山盐湖在地球环境演变过程中的地质变化历史和规律的研究，结合卤虫形成休眠胚胎特殊的生命过程及进化途径，探索高山盐湖环境演化与卤虫AMPK分子的适应进化规律。

小型的海洋甲壳类－卤虫为了适应高山盐湖极端环境经过长期进化形成了休眠胚胎的特殊生命过程。在抵御极端环境的过程中，休眠胚胎通过特殊分子机制形成了长期的细胞周期停滞和胚胎发育间歇，新陈代谢处于完全停滞状态。适宜环境条件下休眠终止并重新启动细胞分裂和胚胎发育。卤虫这种特殊的生命过程和分子机制至今尚未被阐明。本项目通过基因表达特征分析和Knock-Down的研究表明AMPK在卤虫休眠过程中起到关键的作用，其中AMPK-α1的磷酸化在调控细胞分裂和能量代谢上起到重要的作用。为了阐明极端环境条件下卤虫胚胎休眠和细胞静息过程中AMPK的信号途径及分子机制，本项目开展了AMPK相关上下游基因的筛选和功能研究。其中包括LKB1，PHB1，SLK，p90RSK，p8及海藻糖酶等基因的分子克隆，表达特征分析及其在卤虫休眠形成过程中功能的研究。研究结果表LKB1-AMPK-α1对卤虫胚胎发育过程中的有丝分裂起着调控作用。此外PDH1通过磷酸化和细胞核定位调控线粒体成熟，并在打破休眠后代谢的再启动起到重要作用。在卤虫中我们发现了2种p90RSK基因（p90RSK1和2），其中p90RSK1做为细胞抑制因子调控减数分裂，而p90RSK2通过下调cyclin D3在休眠过程中调控细胞有丝分裂。同时，我们在卤虫中克隆了一个SLK基因，发现SLK蛋白通过细胞核的定位从而实现了卤虫休眠胚胎对各种极端环境的抵抗。我们的研究发现PHD1，p90RSK，SLK均通过AMPK对卤虫休眠胚胎的代谢进行调控，此外我们这对卤虫休眠胚胎自噬调控开展了研究。首先发现一个转录因子p8在休眠胚胎形成前高量表达，进一步的研究表明p8通过非AMPK/TOR的途径调控卤虫休眠过程中的内质网自噬的发生。因此通过本项目的研究，明确了在极端环境下卤虫休眠胚胎形成过程中以AMPK为中心的信号途径和机制，该成果为阐明极端环境下细胞静息的机制奠定重要的基础。最后，我们开展高山盐湖在地球环境演变过程中的地质变化历史和规律的研究，结合卤虫形成休眠胚胎特殊的生命过程及进化途径，探索了高山盐湖环境演化与卤虫的分子适应进化规律。