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在许多珊瑚中，一些存在于肠腔内的细胞能够摄取藻类，并与之形成一种互惠共生的关系。珊瑚高度依赖于共生藻类通过光合作用产生的养分，如糖类。温度的持续上升和海洋酸化问题破坏了这种共生关系，导致全球范围内都在发生藻类丧失、珊瑚漂白、饥饿和死亡，进而导致海洋生态系统的退化。
为了保护珊瑚和维持海洋生态系统，研究珊瑚-藻共生是如何建立和维持的至关重要，2023年5月22日，美国卡耐基科学研究所郑诣先教授和现浙江大学胡敏杰研究员在Nature Microbiology上发表了文章Coral-algal endosymbiosis characterized using RNAi and single-cell RNA-seq。作者先前以软珊瑚Xenia为模型对珊瑚与虫黄藻的共生进行研究，通过单细胞测序研究鉴定出在执行共生的Xenia细胞类型中高表达的一组基因 （Hu et al, Nature, 2020）。在这项新研究中，作者对其中一些基因进行了功能研究。通过建立Xenia中的基于RNAi的基因敲降技术，结合单细胞测序和分子细胞生物学技术，揭示了它们如何调节Xenia对藻类的识别和摄取。
首先，作者尝试在Xenia中建立基于shRNA的基因敲降技术，来减少Xenia中可能参与珊瑚-藻共生的基因的表达。作者先前的基因组研究表明，Xenia中含有RNA干扰（RNAi）机制的关键组分。与此同时，由于海洋中营养的匮乏，珊瑚纲中的绝大部分动物都持续的通过一种被称为巨大胞吞作用的过程主动从周围环境中摄入液体。基于此，作者发现将shRNA加入饲养的海水中后，Xenia会主动的摄入该shRNA，并可基于该shRNA对目标基因进行有效的敲降。
进一步的，作者专注于可能参与共生藻识别与起始共生的基因。其中，凝集素是一种可能能够参与识别和结合藻类的蛋白质。之前的研究表明，珊瑚中携带近百种凝集素基因，对鉴定其中参与识别共生藻的特定凝集素造成了很大的挑战。作者将搜索范围缩小到在共生Xenia细胞类型中高表达，并包含编码凝集素结构域的基因。其中，LePin（Lectin and kazal Protease inhibitor domains）在所有已知进行共生的珊瑚中均保守存在。通过对LePin沉默的Xenia进行单细胞RNA测序、谱系追踪和细胞生物学分析显示，LePin是一种分泌蛋白质，能够识别并包裹进入的藻类，从而启动Xenia与虫黄藻的共生的发生。使用单细胞RNA测序，作者分析了LePin沉默对基因表达的影响。在受影响的基因模块中，作者进一步确定了两个受体CD36和DMBT1以及两个肌动蛋白调节因子PLEKHG5和SWAP70参与共生关系的确立（图1）。
图一：Xenia 宿主细胞识别并与虫黄藻建立共生的工作模型。
该工作建立的一整套从单细胞测序，到数据分析，最后分子细胞层面上的功能验证的方案，为后续研究珊瑚中参与共生的基因的功能研究提供了良好的思路。因为已知珊瑚纲的其它物种中都包含RNAi机制并同样进行巨大胞吞作用，作者设计的简单的基于RNAi敲降的方案可能在珊瑚纲的其它物种中进行应用。该RNAi方案不涉及电转染或化学转染，有效减少了转染过程中对生物体造成的伤害。该技术对于快速评估大量基因的功能可能特别有用。然而，RNAi介导的基因沉默目前只能短暂地发挥作用，这也对研究基因的长期功能造成了挑战。在未来的研究中，作者希望能开发基于CRISPR-Cas9介导的基因编辑技术，对珊瑚与虫黄藻的共生进行更深入的研究。
美国卡耐基科学研究所郑诣先教授和现浙江大学胡敏杰研究员为该项工作的共同通讯作者。胡敏杰同时也是该工作的第一作者。
胡敏杰课题组目前有博后职位空缺，欢迎对从分子，细胞及基因组学角度研究珊瑚与虫黄藻共生感兴趣的、相关背景的同学申请。
https://doi.org/10.1038/s41564-023-01397-9
制版人：十一
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