在當前我國水產行業進行綠色健康養殖模式轉型陞級的新形勢下，通過增强抗病免疫來保證魚類生長效能尤為重要。水產養殖中，飼料中植物蛋白等成分引發魚類腸炎並引起長期不可逆的生長抑制。魚類腸黏膜是機體與外界的雙向互動介面，其免疫系統同時發揮遮罩病原和協助營養吸收的雙重功能。而魚類的肝臟與腸黏膜組織共同構成腸肝軸，飼料引起的養殖魚類腸炎常常伴隨肝臟病變。因而，針對魚類腸肝炎症的藥物及其發現方法和評價體系的研究已成為現時水產行業的必需。
中國科學院水生生物研究所水體生物資訊學學科組研究人員，基於已在Frontiers in Physiology雜誌上發表的草魚SBMIE腸肝轉錄組數據，通過TCMID（Traditional Chinese Medicines Integrated Database）來預測對腸肝炎症有效的藥物。該預測方法是基於差异基因的表達量（DEG），結合蛋白互作網絡（PPI），使用GeneRank算灋對目標基因，按照其重要性排序，來選取排列靠前的300個基因作為關鍵基因，以構建關鍵基因清單；再將關鍵基因相應的靶標化合物，匹配到TCMID資料庫，得到含有相應草本成分較多的中藥；然後，基於中藥的活性成分及其藥理篩選到治療腸炎的潜在藥物——沙棘（Hippophae rhamnoidesL.）。根據以上的魚類腸肝炎症的藥物預測結果，將沙棘添加入飼料，在斑馬魚食源性腸炎模型（SBMIE）模型中（已獲專利授權），對其抗腸肝炎症的效果進行評估，運用免疫基因表達分析、免疫細胞成像、病理及生長評估、多組學分析（轉錄組和微生物組）等方法，揭示了沙棘的抗腸肝炎症的分子免疫機理。
具體來說，在斑馬魚SBMIE模型中，發現添加沙棘果粉後可顯著減輕腸黏膜和肝臟組織的炎性反應。從病理學來說，沙棘果粉能够改善豆粕飼料引起的腸絨毛萎縮，同時减少肝臟中炎症相關脂肪顆粒的沉積；另一方面，在micro-CT資料分析中，可觀察到魚體的脂肪含量明顯增加，暗示沙棘具有逆轉豆粕引起的生長效能下降的潜能。在斑馬魚幼魚SBMIE模型中，通過進一步免疫螢光成像觀察，也發現沙棘對於先天免疫細胞（中性粒細胞和巨噬細胞）和後天免疫細胞（淋巴細胞，特別是T細胞）的免疫調節作用，具體體現為顯著抑制幼魚中後腸的炎性反應的中性粒細胞和巨噬細胞數量，改變巨噬細胞的形態，還可抑制T淋巴細胞的炎性聚集。與之呼應的是，在肝臟中，豆粕飼料中添加沙棘，可降低CD4陽性細胞比例。斑馬魚模型中，轉錄組差异表達基因的通路富集分析還發現，沙棘可能會阻斷腸黏膜組織的凋亡相關的p53訊號，並啟動肝臟中的PPAR訊號通路來調節脂肪酸代謝。同時，微生物組學分析結果還表明：在沙棘添加組中，腸黏膜的細菌豐富度（OTU數量）顯著增加，並出現與非致炎的魚粉組相似的微生物組成，提示沙棘還可通過調節菌群來改善腸炎。
以上研究結果提示沙棘果粉作為魚類的飼料添加劑，能够顯著改善水產養殖中因飼料引發的腸肝病變，並提高其生長名額。本研究提供了生物資訊學預測水產飼料用功能添加劑或藥物的一個例子，並採用了遺傳背景清晰和免疫細胞標記的模式魚類斑馬魚，來進行水產藥理的實驗室評估，相對經濟魚類的實驗，縮短了研究週期，節約了人力物力。為水產基礎研究提供了一種新的模式。
圖1基於GeneRank的魚類食源性腸肝炎症的藥物篩選及機理分析流程
本研究是在吳南副研究員主持的國家自然科學基金（31872592）的資助下，由水生所與華中農業大學信息學院農業生物資訊湖北省重點實驗室合作，主要工作是碩士研究生黎明、趙旭陽、佟馨宇、謝家元等人共同完成。夏曉勤研究員和吳南副研究員為共同通訊作者。相關研究成果以“Dietary Inclusion of Seabuckthorn（Hippophae rhamnoides）Mitigates Foodborne Enteritis in Zebrafish Through the Gut-Liver Immune Axis”為題發表在Frontiers in Physiology雜誌上，被收錄在“New insights into mucosal associated lymphoid tissues in fish”這個專題內，文章連結為https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2022.831226/full。
圖2 micro-CT測定實驗魚的總脂肪含量（脂肪組織標為紫色；FM：魚粉組，SBM：豆粕組，SB：沙棘組）