全球气候变暖破坏珊瑚生态系统的机制
珊瑚是腔肠动物门中最大的一个纲，有7000多种，其分泌出的外壳化学成分主要为碳酸钙，珊瑚在白色幼虫阶段便驻留在先辈珊瑚的遗骨上，成千上万由碳酸钙组成的珊瑚骨骼经过长期累积则形成了珊瑚礁。珊瑚礁广泛分布在世界范围内的热带、亚热带海岸沿线，其中栖息着大量的海洋生物，包括蠕虫、软体动物、棘皮动物、甲壳动物等，是海洋中最具有代表性的生态系统类型，被称为“海洋中的热带雨林”。
但珊瑚礁也是地球上最易受威胁的生态系统之一，过量温室气体排放是导致珊瑚生态系统退化的主要元凶。珊瑚礁中礁居的软体动物和原生动物等细胞内常共生着一类具有黄棕色色素的微小单细胞生物—腰鞭毛虫，俗称“虫黄藻”。虫黄藻通过光合作用为宿主细胞提供光合产物，而宿主为共生藻提供无机养料。当环境条件发生改变（如海水温度升高或光照增强）而引起宿主体内的生理胁迫时，宿主会将共生藻驱逐出体内，失去共生藻的珊瑚礁会逐渐褪色易死亡，其白色的碳酸钙骨骼会呈现出来，即“白化”现象。大气中二氧化碳的累积会导致海洋酸化和海水表层温度上升，进而引起“珊瑚白化”，破坏此生态系统[1]。
那么，为什么海水升温会导致“珊瑚白化”现象呢？
为了回答这个问题，来自以色列的研究人员使用了可以在实验室进行培养的模式生物海葵（Aiptasiapallida）来代表珊瑚，通过设置4个时间温度梯度（0days 24℃，9days 28℃，21days 34℃，28days 34℃，海水温度每天上升0.5℃）分别对与藻类生物共培养的共生海葵（symbioticAiptasia）和独立培养的非共生海葵（apo-symbiotic Aiptasia）进行了ATAC-seq和RNA-seq研究，通过这种巧妙的实验设计，揭示出温度升高引起“珊瑚白化”的机制 [2]。
接下来是我们所熟悉的一些ATAC-seq的分析结果。作者首先对ATAC-seq得到的peak进行注释，发现40%以上的peaks分布在启动子-TSS区域，也有较多peaks位于远端的基因间区，这些区域可能存在远端的调控元件。
共生海葵和非共生海葵中鉴定到的peak数量在4个时期发生变化，在Day 0, 24℃两者重叠的peak数为25,350，随着温度升高，重叠peak数量也增加，到Day 28, 34℃时重叠peak数量又下降到23,398个。相应的，两者各自特有的peaks也发生明显变化，表明温度变化对海葵细胞染色质结构有较大影响。
对4种条件下染色质开放性有明显变化的区域进行聚类和motif富集分析，结果发现：
共生海葵的差异peaks聚为5类，富集的motifs包括NKx3-1, HNF4A, IRF4等，相关表达基因富集在氧化压力应答通路中，包括NRF2介导的氧化压力应答、缺氧诱导因子信号通路、RAR激活等。这可以解释之前人们实验观察到的细胞中活性氧（ROS）产量明显增加的现象。
非共生海葵差异peaks聚为4类，富集的motifs包括NFAT, ATF4, GATA3, SOX14, PAX3等，相关表达基因富集在免疫信号通路中，如TGF-β、NF-kB和p53信号通路。作者推测温度上升加快了海水环境中细菌和真菌的代谢，从而刺激了非共生海葵的免疫系统。
对于“珊瑚白化”现象的机制，目前“氧化胁迫”理论认为：当温度升高或光照增强时会使共生藻的光合系统受损而产生过量的活性氧自由基，当超出宿主抗氧化系统的抵御时，宿主为了降低对自身的损伤，会将活性氧自由基的来源—共生藻驱逐出去。白化的珊瑚礁缺少了藻类供养，会变得十分脆弱而容易死亡。
在本文中，作者通过ATAC-seq和RNA-seq分析得出，共生海葵在温度上升时，通过调控染色质开放状态及特定转录因子的表达水平来对氧化压力产生应答，这与目前被广为接受的“氧化胁迫是珊瑚白化的主要因素”理论是相契合的。
题外话，这篇文章发表的期刊Communications Biology是Nature旗下于2018开始发刊的Open Access新期刊。据悉，Communications Biology文章的定位可能介于Nature Communications和Scientific Reports之间，影响因子可能预期在6~8分，想进行ATAC-seq+RNA-seq的各位老师可以考虑投稿此期刊哦~ 菲沙基因项目经验非常丰富，全套三维基因组产品包括Hi-C、CUT&Tag、ATAC-seq、RNA-seq均在热销中~
参考文献：
[1] Eviatar Weizman1 & Oren Levy. The role of chromatin dynamics under global warming response in the symbiotic coral model Aiptasia. Communications Biology, 2019.