郭雪瑩 , 丁 奎 , 王天明, 呂志猛 張立斌
(1. 寧波大學(xué), 浙江 寧波 315211; 2. 中國科學(xué)院海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266237; 4. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071; 5. 中國科學(xué)院海洋牧場工程實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 6. 浙江海洋大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 浙江 舟山 316022)
神經(jīng)肽(neuropeptide)是指在神經(jīng)細(xì)胞中合成的內(nèi)源性肽段, 一般由1~300個(gè)氨基酸組成, 在細(xì)胞通訊、體內(nèi)穩(wěn)態(tài)、行為和生理過程中發(fā)揮著重要作用[1-2]。目前研究認(rèn)為, 所有神經(jīng)肽均從較大的前體蛋白衍生而來, 由基因編碼的神經(jīng)肽前體蛋白, 在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中經(jīng)過酶的剪切和修飾, 最終生成具有生物活性的神經(jīng)肽[2-3]。神經(jīng)肽可作為神經(jīng)遞質(zhì)或調(diào)質(zhì)在神經(jīng)系統(tǒng)局部發(fā)揮作用, 也可作為神經(jīng)激素經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)作用于特定靶細(xì)胞; 其通過結(jié)合并激活特定G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs), 介導(dǎo)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo), 并導(dǎo)致下游效應(yīng)物(如酶、離子通道等)活性發(fā)生變化或者基因表達(dá)調(diào)控, 最終實(shí)現(xiàn)靶細(xì)胞及靶組織的功能轉(zhuǎn)變, 影響行為及生理過程[1,4]。
棘皮動(dòng)物門(Echinodermata)共包含五個(gè)綱, 分屬于三個(gè)亞門。其中海百合綱(Crinoidea)屬有柄亞門(Plematozoa), 海參綱(Holothuroidea)和海膽綱(Echinoidea)屬有棘亞門(Echinozoa), 海星綱(Asteroidea)和海蛇尾綱(Ophiuroidea)屬海星亞門(Asterozoa)[5]。棘皮動(dòng)物在生物進(jìn)化中占有特殊地位, 雖屬后口動(dòng)物, 但較為低等, 與原口動(dòng)物關(guān)系密切, 又在無脊索動(dòng)物中進(jìn)化地位較高, 與脊索動(dòng)物關(guān)系也十分密切。棘皮動(dòng)物還具有獨(dú)特的發(fā)育生物學(xué)特征, 幼蟲時(shí)期為兩側(cè)對稱而成體為輻射對稱[5]。此外, 棘皮動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單, 主要由圍口神經(jīng)環(huán)和與其相連的五條橈神經(jīng)索組成, 具有五輻射對稱和去中心化的結(jié)構(gòu)特征, 但功能復(fù)雜, 其身體組織的自切和再生,體壁結(jié)締組織硬度變化均與神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)[3,5]。
棘皮動(dòng)物具有與其他高等生物近緣的神經(jīng)肽信號系統(tǒng), 某些神經(jīng)肽的發(fā)現(xiàn)將原口動(dòng)物和脊索動(dòng)物中相關(guān)神經(jīng)肽家族聯(lián)系起來。目前, 棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽研究主要集中在組學(xué)分析, 鑒定出大量神經(jīng)肽,但功能研究, 特別是神經(jīng)肽與受體互作及其活性研究相對缺乏。深入開展棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽發(fā)掘和功能鑒定, 可以幫助解析一些特有生理現(xiàn)象, 如組織再生, 刺參吐腸和夏眠等。本文在歸納棘皮動(dòng)物各物種中所鑒別的神經(jīng)肽種類及幾類重要神經(jīng)肽家族結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上, 基于神經(jīng)肽在不同棘皮動(dòng)物組織器官的分布情況總結(jié)了各神經(jīng)肽信號系統(tǒng)特征, 并概述了神經(jīng)肽對棘皮動(dòng)物各組織器官及行為的調(diào)節(jié)作用, 以期為神經(jīng)肽信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和進(jìn)化研究提供參考。
近年來, 基因組和轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)的發(fā)展使快速識別單一物種的神經(jīng)肽成為可能[6]。隨著該技術(shù)的廣泛應(yīng)用, 目前已在環(huán)節(jié)動(dòng)物、軟體動(dòng)物、刺胞動(dòng)物和棘皮動(dòng)物等多個(gè)動(dòng)物門類中展開了神經(jīng)肽鑒定工作, 在棘皮動(dòng)物海膽綱、海參綱、海星綱和海蛇尾綱均有神經(jīng)肽鑒定的相關(guān)報(bào)道, 但海百合綱鮮有報(bào)道[5-7]。
綜合研究報(bào)道數(shù)據(jù), 棘皮動(dòng)物各綱中鑒定的神經(jīng)肽數(shù)量分布如圖1所示。在棘皮動(dòng)物中, 海星綱、海參綱、海膽綱、海蛇尾綱中共同鑒定出的神經(jīng)肽種類為20種, 海星綱中鑒定的特有神經(jīng)肽種類最多,為12種, 而海膽綱為3種, 海參綱為2種, 海蛇尾綱中無特有神經(jīng)肽(圖1; 表1)。棘皮動(dòng)物各物種的神經(jīng)肽詳細(xì)鑒定結(jié)果如表2所示。
圖1 棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽數(shù)量分布Fig. 1 The quantity distribution of neuropeptides in echinoderms
表1 棘皮動(dòng)物各綱共有和特有神經(jīng)肽種類鑒定情況Tab. 1 Identification of common and unique neuropeptides in echinoderms
目前識別出的棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽有50多種, 具體鑒定出的神經(jīng)肽種類見表2。
物種名稱: Sp:Strongylocentrotus purpuratus; Ar:Asterias rubens; Ap:Acanthaster planci; Aj:Apostichopus japonicus; Hs:Holothuria scabra; Hg:Holothuria glaberrima; Ov:Ophionotus victoriae; Af:Amphiura filiformis; Oa:Ophiopsila aranea。
神經(jīng)肽名稱: CCH: CCHamide神經(jīng)肽; CRH: 促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素型神經(jīng)肽; SALMF:SALMFamide神經(jīng)肽, 神經(jīng)肽1; GnRH: 促性腺激素釋放激素型神經(jīng)肽, 神經(jīng)肽2; TRH: 促甲狀腺激素釋放激素型神經(jīng)肽, 神經(jīng)肽3; 鈣素樣肽: 神經(jīng)肽4;AN肽: 神經(jīng)肽5; pedal肽型神經(jīng)肽1: 神經(jīng)肽6;pedal肽型神經(jīng)肽2: 神經(jīng)肽7; 神經(jīng)肽11: 在Ov、Af、Oa、Sp、Ar中證實(shí)為蛻殼激素1; 黑化誘導(dǎo)激素: 神經(jīng)肽12; MCH: 黑色素聚集激酶素, 神經(jīng)肽14; 神經(jīng)肽15: 在Ov、Af、Oa、Sp、Ar中證實(shí)為蛻殼激素2; 生長激素抑制素: 神經(jīng)肽19。
1.2.1 SALMFamide神經(jīng)肽
SALMFamide神經(jīng)肽家族分為L型和F型兩類, L型多肽C端氨基酸序列為L×F, 而F型多肽C端序列為F×F(×為可變氨基酸)[11]。L型SALMFamide神經(jīng)肽前體可產(chǎn)生L型神經(jīng)肽, 而F型前體可產(chǎn)生F型或L型神經(jīng)肽[7]。此外, 某些SALMFamide神經(jīng)肽并非嚴(yán)格的L型或F型神經(jīng)肽, 而是類L型或類F型神經(jīng)肽[7]。海星Asterias rubensL型前體衍生的神經(jīng)肽(AYHSALPF-NH2、GYHSGLPF-NH2和LHSALPF-NH2)含ATCUN基序(H2N-××H, ×為可變氨基酸), 即N端銅鎳結(jié)合基序, 其位于N端第三位的組氨酸可高度親和Cu2+和Ni2+, 形成銅配合物(單體或二聚體), 使神經(jīng)肽更耐酶解, 并參與調(diào)節(jié)海星獨(dú)特的攝食行為[12]。
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海星A. rubens和Asterias forbesi的橈神經(jīng)索中可分離出2種SALMFamide神經(jīng)肽, 一種是八肽GFN SALMF-NH2(S1), 另一種是十二肽SGPYSFNSGLTFNH2(S2)[13]。S1和S2的C端區(qū)域是決定其生物活性的關(guān)鍵因素[14]。S2的N端四肽(SGPY)有利于S2自結(jié)合成多聚體, 改變其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性來影響生物活性[14-15]。此后, 在海參Holothuria glaberrima中發(fā)現(xiàn)了S3(GFSK LYF-NH2)和S4(SGYSVLYF-NH2)[16]。這4種神經(jīng)肽均屬于L型SALMFamide神經(jīng)肽。在仿刺參Apostichopus japonicus中鑒定出的神經(jīng)肽GYSPFMFamide和FKSPFMFamide以及海膽Strongylocentrotus purpuratus中7種推定的SALMFamide神經(jīng)肽均為F型SALMFamide神經(jīng)肽[11,17]。
目前, 海星Patiria Miniata中已鑒定出2種SALMFamide神經(jīng)肽前體, 各含有6個(gè)和7個(gè)推定的SALMFamide神經(jīng)肽; 在海蛇尾Ophionotus victoriae中也鑒定出兩種SALMFamide神經(jīng)肽前體, 各含有4個(gè)和11個(gè)推定的SALMFamide神經(jīng)肽; 而海百合Antedon mediterranea中僅鑒定出1種SALMFamide前體, 含有12個(gè)推定的SALMFamide神經(jīng)肽[18]。此外, 在另一種海星Marthasterias glacialis中發(fā)現(xiàn)幾種新型SALMFamide神經(jīng)肽: SGPYSMTSGLTF-NH2(MagS2)、AYHSALPF-NH2(MagS3)和AYQTGLPF-NH2(MagS4), 表明SALMFamide神經(jīng)肽多樣性較高[19]。
1.2.2 GnRH型神經(jīng)肽
促性腺激素釋放激素(GnRH)最初是在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的一種肽類激素, 其同系物大量存在于無脊椎動(dòng)物中[4,20]。棘皮動(dòng)物GnRH型神經(jīng)肽N端谷氨酰胺殘基(Q)和C端甘氨酸殘基(G)經(jīng)翻譯修飾后產(chǎn)生N端焦谷氨酸殘基(pQ)和C端酰胺基(G-NH2)[3,6,9]。最初通過分析海膽S. purpuratus轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)鑒定得到棘皮動(dòng)物GnRH型神經(jīng)肽, 其推定序列為pQVHHRFSGWRPG-NH2[3]。海星A. rubens中共鑒定得到兩種GnRH神經(jīng)肽, 分別為pQIHYKNPGWGPG-NH2(GnRH1)和HNTFTMGGQ NRWKAGG-NH2(GnRH2)[21]。海星Acanthaster planci中鑒定出GnRH神經(jīng)肽pQIHYKVPGWGPG-NH2[22]。海參Holothuria scabra中GnRH肽序列為pQLPAGP WAFWE-NH2,A. japonicus中的推定序列為pQLLGNV QLPLPGG-NH2[9,23]。海蛇尾O. victoriae中鑒定出的GnRH肽為pQLHSRMRWEPG-NH2[5]。海膽S. purpuratusGnRH型神經(jīng)肽和海星A. rubensGnRH1也含ATCUN基序, 可結(jié)合Cu2+和Ni2+, GnRH2位于N端第一位的組氨酸也可結(jié)合Cu2+[22,24]。與Cu2+結(jié)合后GnRH1更耐酶解, 與Ni2+結(jié)合可改變受體激活[22]。
1.2.3 NG肽
NG肽因其在肽鏈N端含有Asn-Gly(NG)雙肽序列而得名[25]。最早在仿刺參A. japonicus中分離得到第一種NG肽, 其序列為NGIWYamide[26]。隨后在其他棘皮動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)NGIWYamide相關(guān)神經(jīng)肽, 如海膽S.purpuratus的NGFFFamide和海星A. rubens的NGFFYamide等[27]。目前, 在海蛇尾O. victoriae中鑒定出兩種NG肽, 分別為NGFFFamide和NGFFYamide,與S. purpuratus和A. rubens中NG肽序列一致[5]。
1.2.4 Pedal肽型神經(jīng)肽
Pedal肽最初在軟體動(dòng)物海兔Aplysia californica的足神經(jīng)節(jié)中分離得到, 因而命名為pedal肽[28]。在棘皮動(dòng)物中, pedal肽型神經(jīng)肽前體(PPLNP)有3種,分別為PPLNP1、PPLNP2和PPLNP3, PPLNP3僅在海蛇尾中發(fā)現(xiàn)[3,5]。海膽S. purpuratus和海星A. ruben中某些pedal肽型神經(jīng)肽C端含有SGF×基序(其中×是疏水氨基酸殘基), 仿刺參A. japonicuspedal肽型神經(jīng)肽N端均含有FG基序, 其余棘皮動(dòng)物pedal肽型神經(jīng)肽序列相似度不高[3,6,9]。最初在海膽S. purpuratus中發(fā)現(xiàn)編碼pedal肽型神經(jīng)肽前體(SpPPLNP1、SpPPLNP2)的基因, 2種前體均含有9個(gè)推定的神經(jīng)肽(SpPPLN1a-i、SpPPLN2a-i)[6,28]。隨后, 在海星A.rubens中發(fā)現(xiàn)2種pedal肽型神經(jīng)肽前體(ArPPLNP1、ArPPLNP2), ArPPLNP1包 含5個(gè) 推 定 神 經(jīng) 肽(ArPPLN1a-e), 而ArPPLNP2則包含11個(gè)推定神經(jīng)肽(ArPPLN2a-k)[29-30]。此外, 在海星Patiria pectinifera和A. rubens中分離得到一種pedal肽型神經(jīng)肽, 也稱作SMP型神經(jīng)肽, 其氨基酸序列分別為FGKGGAYDPLSAGFTD和FGGKGAFDPLSAGFTD,因而ArPPLNP1也稱作SMP型前體[29,31]。仿刺參A. japonicus中目前僅發(fā)現(xiàn)PPLNP2, 其含有6個(gè)pedal肽型神經(jīng)肽(AjPPLN2a-f)[10]。
1.2.5 Luqin型神經(jīng)肽
根據(jù)海星A. rubens和A. planci的luqin型神經(jīng)肽前體推定其序列分別為EKGRFPKFMRW-NH2和EEKTRFPKFMRW-NH2[32]。在海參A. japonicus、H.glaberrima、H. scabra和Holothuria leucospilota中l(wèi)uqin型神經(jīng)肽推定序列均為KPYKFMRW-NH2[32]。海膽S. purpuratus中l(wèi)uqin型神經(jīng)肽序列為GKPHKF MRW-NH2[5]。海蛇尾O. victoriae中l(wèi)uqin型神經(jīng)肽推定序列為QGFNRDGPAKFMRW-NH2,Ophiopsila aranea為QGFNRGEGPAKFMRW-NH2,Amphiurafiliformis中為QGFSRDGPAKFMRW-NH2[32]。比較棘皮動(dòng)物luqin型神經(jīng)肽可以發(fā)現(xiàn)高度的序列一致性,其C端均含有KFMRW-NH2序列[3]。
1.2.6 Kisspeptin神經(jīng)肽
棘皮動(dòng)物kisspeptin神經(jīng)肽C端均含有L×F-NH2基序(×為可變氨基酸)[9]。棘皮動(dòng)物kisspeptin神經(jīng)肽前體均可推定出2種kisspeptin神經(jīng)肽。海星A. rubenskisspeptin神經(jīng)肽為SGRCRSGTKCIMRGPNPNTASR VLPF-NH2(ArKP1)和GRGPPKNSRARGGRTLLPF-NH2(ArKP2)[3]。海膽S. purpuratus中kisspeptin型神經(jīng)肽序列為SRCRGRQCRNVGGLNPNANLRPLPF-NH2(SpKP1)和GRTKNRIRERVPHFLPF-NH2(SpKP2)[3]。海參A. japonicuskisspeptin型神經(jīng)肽結(jié)構(gòu)為AGSLDCLEASCEDVE RRGRQPNRNAHYRTLPF-NH2(AjKP1)和SAVKNKNK SRARPPLLPF-NH2(AjKP2),H. scabrakisspeptin型神經(jīng)肽結(jié)構(gòu)為AGTLDCLEQSCEGVERRRQPSRNAHYRTL PF-NH2(HcKP1)和PSSKKTRGRLNPPPLLPF-NH2(HcKP2),H. glaberrimakisspeptin型神經(jīng)肽結(jié)構(gòu)為GGSLDCLEQS CEDVERRRQPSRNAHYRTLPF-NH2(HgKP1)和PLPKK TKGRIVVPQRLLPF-NH2(HgKP2)[33]。海蛇尾O. victoriaekisspeptin型神經(jīng)肽序列為QPSTACMNVMCRMIRGRP RVNANAGSRALPF-NH2(OvKP1)和GRGRPRTRGSPNG HPQQHKL PF-NH2(OvKP2)[5]。
1.2.7 降鈣素樣肽
降鈣素樣肽N端區(qū)域含有2個(gè)半胱氨酸殘基,可通過二硫鍵與其他降鈣素樣肽相連, C端含有相同基序FG××GP-NH2[3,5]。海星A. rubens和海膽S.purpuratus僅含有1種降鈣素樣肽, 分別為NGESR GCSGFGGCGVLTIGHNAAMRMLAESNSPFGASGPNH2(ArCTP)和SKGCGSFSGCMQMEVAKNRVAAL LRNSNAHLFGLNGP-NH2(SpCTP)[3,6]。海參A. japonicus、H. scabra和海蛇尾O. victoriae中均含有兩種降鈣素樣肽。A. japonicus中降鈣素樣肽結(jié)構(gòu)為
SCSNKFAGCAHMKVANAVLKQNSRGQQQFKFGS AGP-NH2(AjCTP1)和RVGGCGDFSGCASLKAGRD LVRAMLRPSKFGSGGP-NH2(AjCTP2),H. scabra中降鈣素樣肽結(jié)構(gòu)為SCSDRFSGCAHLKVAKALLDQ ARREENSRFGISGP-NH2(HsCTP1)和RMGGCGDFS GCASLKAGRDLVRAMLRQPSKFGSGGP-NH2(HsC TP2), 海蛇尾O. victoriae降鈣素樣肽為SGNGGCA GFTGCAQLAAGQNALRNFMHSNRASLFTGASGPNH2(OvCTP1)和NGNGGCAGFTGCAQLAAGQSAL QAMIHSGRASLFGSGGP-NH2(OvCTP2)[1,5,9]。
1.2.8 松弛素樣肽
棘皮動(dòng)物中松弛素樣神經(jīng)肽有2種, 松弛素樣性腺刺激肽(RGP或RLP1)和松弛素樣肽2(RLP2)。推測松弛素樣神經(jīng)肽是由A/B兩條肽鏈的組成的異二聚體蛋白, 兩條肽鏈由二硫鍵相連[1,34]。A鏈包含半胱氨酸基序CC×××C××××××××C, B鏈包含半胱氨酸基序C×××××××××××C[3,9,34]。海星A. rubensRGP A鏈氨基酸序列為PETYVGMGSYCCLVGCTRDQL SQVC, B鏈序列為AEKYCDEDFHMAVTRTCTEH,RLP2 A鏈為QDYQGMATYCCTNGCTISQLTNSGIC,B鏈為RSDHASVKHFCGLEFSYAVVTACGEA[3]。海星Asterina pectiniferaRGP A鏈為SEYSGIASYCCL HGCTPSELSVVC, B鏈為 EKYCDDDFHMAVFRTC AVS[35]。海參H. scabraRGP A鏈為NGGIARRCCASG CSSSDIAKLC, B鏈為VRLCGADLSRAVYRVCSH[1]。
1.2.9 VP/OT型神經(jīng)肽
成熟的VP/OT型神經(jīng)肽通常是C端酰胺化的,在兩個(gè)高度保守的半胱氨酸殘基之間有1個(gè)二硫鍵,這對VP/OT型神經(jīng)肽的生物活性至關(guān)重要[5,9]。海膽S. purpuratusVP/OT型神經(jīng)肽echinotocin是第一個(gè)在棘皮動(dòng)物中被識別的VP/OT型神經(jīng)肽, 其結(jié)構(gòu)序列為CFISNCPKG-NH2[5,36]。海星A. rubensVP/OT型神經(jīng)肽asterotocin結(jié)構(gòu)序列為CLVQDCPEG-NH2[3]。仿刺參A. japonicus中VP/OT型神經(jīng)肽holotocin為CFITNCPLGG-NH2[9]。海蛇尾O. victoriaeVP/OT型神經(jīng)肽序列為CLVSDCPEG-NH2[5]。
1.2.10 其他神經(jīng)肽
在仿刺參A. japonicus中鑒定出多種神經(jīng)肽, 包括GN-19神經(jīng)肽(GGRLPNYAGPPRMPWLIHN-NH2),GLRFA神 經(jīng) 肽(GLRFA-NH2), KIamide-9神 經(jīng) 肽(KHKTAYTGI-NH2), stichopin神經(jīng)肽(DRQGWPACY DSKGNYKC-NH2), 3種SWYG肽SWYG-1(SWYGS LG-NH2)、SWYG-2(SWYGTLG-NH2)、SWYG-3(SWY GSLA-NH2), 4種holokinin神經(jīng)肽holokinin-1(PLG YMFR-NH2)、holokinin-2[PLGYM(O)FR-NH2]、holokinin-3[PLGY(Br)M(O)FR-NH2]、holokinin-1(3-7)(GYMFR-NH2)[37]。
SALMFamide神經(jīng)肽為棘皮動(dòng)物特有神經(jīng)肽,基于結(jié)構(gòu)上的相似性, SALMFamide神經(jīng)肽可能是NPFF1/NPFF2型受體的配體[6,38]。SALMFamide-1(S1)和SALMFamide-2(S2)是最早被鑒定的棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽[6]。S1在海星A. rubens橈神經(jīng)索、圍口神經(jīng)環(huán)、管足、頂端肌肉和消化系統(tǒng)中均有存在, 而S2主要分布于橈神經(jīng)索、管足和邊緣神經(jīng)[16,39-40]。此外, 在A. rubens的神經(jīng)系統(tǒng)橈神經(jīng)索中檢測到高濃度的S1和S2, 且含量相當(dāng), 管足中也含有一定濃度, 但其他部位如頂端肌肉、賁門胃和幽門胃等肌肉器官內(nèi)含量較少, 性腺中含量最低, 且在這些部位中S2的免疫反應(yīng)活性高于S1, 差異從兩倍到十倍不等[41]。海星Patiriella regularis的橈神經(jīng)索和管足中發(fā)現(xiàn)S1,海星M. glacialis的橈神經(jīng)索和賁門胃中同時(shí)發(fā)現(xiàn)S1和S2[7]。
GFSKLYF-NH2(S3)在海參H. glaberrima的腸道、食管、胃、橈神經(jīng)索、體壁、呼吸樹、性腺、觸手、管足中均有分布[42]。海參H. scabra的胃部和小腸中可檢測到GFSKLYFamide樣神經(jīng)肽[43]。此外,在海膽Arbacia lixula的管足神經(jīng)細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)S2免疫反應(yīng), 而海蛇尾Ophiura ophiura的橈神經(jīng)索和圍口神經(jīng)環(huán)中則發(fā)現(xiàn)大量S1免疫反應(yīng)聚集[11,44]。
海星A. rubens體內(nèi)存在兩種GnRH型神經(jīng)肽,GnRH1可特異性激活GnRH型受體, 而GnRH2則可特異性激活CRZ型受體[21]。GnRH型和CRZ型受體為異源表達(dá), 表明GnRH1和GnRH2分別是這2種受體的選擇性配體[4]。因此, GnRH1被稱為GnRH肽,而GnRH2被重新命名為CRZ肽[4]。原位雜交和免疫組化結(jié)果表明,A. rubens中GnRH肽在神經(jīng)系統(tǒng)(包括橈神經(jīng)索、圍口神經(jīng)環(huán)和邊緣神經(jīng))、管足、觸手、體壁、和消化系統(tǒng)(包括圍口膜、食道、賁門胃、幽門胃和幽門盲腸)中均有表達(dá)[45]。CRZ肽的分布與GnRH相似, 但存在局部差異, 如在觸手中未檢測到CRZ, 而在消化系統(tǒng)中CRZ僅在賁門胃、幽門胃和幽門管中表達(dá)[45]。
半定量RT-PCR檢測結(jié)果表明海參H. scabra神經(jīng)環(huán)、橈神經(jīng)索、卵巢、精巢和縱紋肌提取物中均有GnRH基因表達(dá), 且在卵巢、橈神經(jīng)索和神經(jīng)環(huán)中表達(dá)最多[23]。原位雜交結(jié)果顯示, GnRH的mRNA在H. scabra的卵母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中雜交信號很強(qiáng)[23]。質(zhì)譜分析結(jié)果表明GnRH在海膽S. purpuratus體壁和內(nèi)臟組織中均有表達(dá)[46]。
基于原位雜交技術(shù), 在海星A. rubens的橈神經(jīng)索、圍口神經(jīng)環(huán)、體腔上皮、頂端肌肉、體壁、胃、管足等組織器官中均發(fā)現(xiàn)表達(dá)NG肽(NGFFYamide)前體轉(zhuǎn)錄本的細(xì)胞[47]。海星A. pectinifera橈神經(jīng)索、邊緣神經(jīng)和管足中存在NGIWYamide神經(jīng)肽[48]。免疫組化結(jié)果表明仿刺參A. japonicus橈神經(jīng)索、圍口神經(jīng)環(huán)、管足、體壁、觸手、腸道中存在NGIWYamide神經(jīng)肽[26]。此外, 在海膽S. purpuratus的體壁和內(nèi)臟組織中檢測到NGFFFamide神經(jīng)肽, 但具體組織分布情況還未見報(bào)道[46]。目前已證實(shí)海膽S. purpuratusNPS/CCAP型受體可被NGFFFamide神經(jīng)肽激活[49]。
海星P. pectinifera中pedal肽型神經(jīng)肽前體1(PPLNP1)轉(zhuǎn)錄本在橈神經(jīng)索中的表達(dá)量最高, 但在頂端肌肉、管足和賁門胃等的神經(jīng)肌肉組織中較低[31]。Pedal肽型神經(jīng)肽1(PPLN1)廣泛存在于海星A. rubens橈神經(jīng)索、圍口神經(jīng)環(huán)、消化系統(tǒng)、頂端肌肉和管足中[29]。此外, 由pedal肽型神經(jīng)肽前體2(PPLNP2)中衍生出來的神經(jīng)肽在海星A. rubens的橈神經(jīng)索、圍口神經(jīng)環(huán)、邊緣神經(jīng)、管足、體壁、觸手和消化系統(tǒng)中均有分布[30]。此外, 在海膽S.purpuratus的橈神經(jīng)提取物和仿刺參A. japonicus的圍口神經(jīng)環(huán)中均鑒定出pedal肽型神經(jīng)肽[6,9]。
仿刺參A. japonicus中kisspeptin神經(jīng)肽前體產(chǎn)生兩種成熟肽AjKiss1a和AjKiss1b, 可通過其受體(AjKissR1和AjKissR2)激活后, 介導(dǎo)Gαq偶聯(lián)的細(xì)胞信號通路, 參與生殖和代謝調(diào)控過程; 其中AjKissR1優(yōu)先被AjKiss1b激活, 而AjKissR2優(yōu)先被AjKiss1a激活[33]。免疫印跡分析顯示kisspeptin神經(jīng)肽前體和AjKissR1在仿刺參A. japonicus神經(jīng)環(huán)、性腺及呼吸樹等組織中均有表達(dá)[33]。
海星A. rubens降鈣素型神經(jīng)肽(ArCT)和前體mRNA在其神經(jīng)系統(tǒng)(橈神經(jīng)索和圍口神經(jīng)環(huán))、消化系統(tǒng)(賁門胃、幽門胃和幽門盲腸)、體腔上皮、頂端肌肉和管足中均有表達(dá)[50]。海星P. pectinifera中發(fā)現(xiàn)的一種肌肉松弛劑最終被鑒定為ArCT的同源物,并被命名為PpCT[50]。與ArCTP在A. rubens中的表達(dá)相似, PpCT前體轉(zhuǎn)錄本在P. pectinifera的橈神經(jīng)索、賁門胃、幽門胃、幽門盲囊、管足和體腔上皮中表達(dá), 且橈神經(jīng)索中表達(dá)量最高[50]。
海星A. rubens鑒定出兩種松弛素樣神經(jīng)肽前體ArRGPP和ArRLPP2[3]。松弛素樣性腺刺激肽(RGP)曾作為性腺刺激物質(zhì)(GSS)在海星A. pectinifera中鑒定出來, 后被證實(shí)為松弛素樣神經(jīng)肽的一種[3]。RGP在A. pectinifera的橈神經(jīng)索、管足和A. rubens的橈神經(jīng)索、圍口神經(jīng)環(huán)、體壁和管足中表達(dá)[34-35]。
海星A. rubens中的一種G蛋白偶聯(lián)受體被證實(shí)為VP/OT型神經(jīng)肽受體的同源物, 是A. rubensVP/OT型神經(jīng)肽asterotocin的配體[51]。原位雜交和免疫組織化學(xué)顯示神經(jīng)肽asterotocin及其受體在神經(jīng)系統(tǒng)(橈神經(jīng)索和圍口神經(jīng)環(huán))、消化系統(tǒng)(賁門胃)、體壁及其附屬物中均有表達(dá)[51]。
海星A. rubens中鑒定出的luqin型神經(jīng)肽(ArLQ)是兩個(gè)luqin型受體ArLQR1和ArLQR2的配體[52]。Luqin型神經(jīng)肽在橈神經(jīng)索、圍口神經(jīng)環(huán)、賁門胃、幽門胃和管足中均有發(fā)現(xiàn)[52]。mRNA原位雜交顯示,CRH型神經(jīng)肽在A. rubens橈神經(jīng)索、圍口神經(jīng)環(huán)、邊緣神經(jīng)、體腔上皮、賁門胃和幽門胃以及幽門盲腸中表達(dá)[53]。海參特異性神經(jīng)肽GN-19和GLRFA分別在H. scabra橈神經(jīng)索、縱紋肌、腸道和橈神經(jīng)索、圍口神經(jīng)環(huán)中表達(dá)[1]。
大量神經(jīng)肽前體和神經(jīng)肽的發(fā)現(xiàn)為研究棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽信號系統(tǒng)的生理作用提供了基礎(chǔ)[9]。目前,一般采用藥理學(xué)技術(shù)進(jìn)行神經(jīng)肽功能研究, 現(xiàn)已研究的神經(jīng)肽功能如表3所示[46]。
表3 棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽功能特點(diǎn)Tab. 3 Functional characteristics of neuropeptides in echinoderms
續(xù)表
神經(jīng)肽對肌肉的調(diào)節(jié)主要分為2種, 使肌肉收縮或松弛。NG肽作為肌活性肽在不同棘皮動(dòng)物中的作用有所差別。NGFFYamide神經(jīng)肽可引起海星A.rubens頂端肌肉的舒張和管足的收縮, 還能從一定程度上降低其運(yùn)動(dòng)能力[47]。NGIWYamide神經(jīng)肽能引發(fā)海星A. pectinifera管足和仿刺參A. japonicus體壁縱紋肌和觸手的收縮[26,48]。NGFFFamide神經(jīng)肽和VP/OT型神經(jīng)肽echinotocin均可引起海膽Echinus esculentus管足的收縮[36]。GnRH和CRZ均可引發(fā)海星A. rubens頂端肌肉和管足的收縮, 且CRZ作為頂端肌肉的收縮劑比GnRH更有效[45]。電流可誘發(fā)仿刺參A. japonicus縱紋肌的收縮, GLRFA可增強(qiáng)這種收縮, holokinin、stichopin、SWYG肽和KIamide-9神經(jīng)肽則會抑制這種收縮[54]。
SALMFamide神經(jīng)肽可使海星和海參的肌肉松弛,從一定程度上增強(qiáng)仿刺參A. japonicus運(yùn)動(dòng)耐力并提高運(yùn)動(dòng)效率[55-56]。SALMFamide神經(jīng)肽也能引發(fā)海膽E.esculentus管足舒張, 可見SALMFamide神經(jīng)肽作為肌肉松弛劑在整個(gè)棘皮動(dòng)物門中發(fā)揮普遍作用[36,56]。體內(nèi)注射pedal肽, 可在一定程度上增強(qiáng)仿刺參A. japonicus的運(yùn)動(dòng)耐力并降低運(yùn)動(dòng)效率, 可能參與肌肉收縮性調(diào)節(jié)[55]。SMP則可引起海星P. pectinifera頂端肌肉和管足舒張[30]。此外, luqin型神經(jīng)肽可導(dǎo)致海星A.rubens管足舒張, 在強(qiáng)度和程度上與SALMFamide-2(S2)相似[52]。降鈣素樣肽可引起海星A. rubens頂端肌肉和管足松弛, 參與海星運(yùn)動(dòng)行為調(diào)節(jié)[50]。
NGFFYamide神經(jīng)肽可引起海星A. rubens賁門胃收縮, 體內(nèi)注射該神經(jīng)肽后, 可使外翻的賁門胃縮回體內(nèi)[27]。仿刺參A. japonicus的體外藥理學(xué)研究表明, NGIWYamide神經(jīng)肽可引起腸道收縮[26]。NGFFFamide神經(jīng)肽和VP/OT型神經(jīng)肽echinotocin均能引起海膽E. esculentus食道的收縮[36]。體外藥理實(shí)驗(yàn)表明, GnRH和CRZ均可引起海星A. rubens賁門胃收縮, 但體內(nèi)注射未能使外翻的賁門胃回縮[45]。此外, GnRH和CRZ對A. rubens腸道纖毛也具有一定調(diào)節(jié)作用[45]。GnRH同樣可導(dǎo)致海膽S. purpuratus食道收縮[46]。神經(jīng)肽GLRFA、holokinin和KIamide-9可引起仿刺參A. japonicus腸道收縮, 而海參特異性神經(jīng)肽GN-19則可引發(fā)腸道收縮或松弛[9,54]。
SALMFamide神經(jīng)肽可使海星A. rubens的賁門胃舒張, 引發(fā)賁門胃外翻[41]。仿刺參A. japonicus中兩種SALMFamide肽(GYSPFMF-NH2和FKSPFMFNH2)均可導(dǎo)致腸道肌肉松弛[54]。海星VP/OT型神經(jīng)肽asterotocin也可引起A. rubens賁門胃外翻, 且比SALMFamide-2(S2)效率更高[51]。體外藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)表明, PPLN1可引起海星P. pectinifera賁門胃舒張,PPLN2則是A. rubens賁門胃的一種強(qiáng)松弛劑[29-30]。然而, 體內(nèi)藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)表明, 海星體內(nèi)注射2種pedal肽型神經(jīng)肽均不會引起賁門胃外翻[29]。此外, 研究表明降鈣素樣肽也可能參與海星消化系統(tǒng)調(diào)節(jié)[50]。
GnRH的主要功能是對生殖過程起調(diào)節(jié)作用,已在海參H. scabra中得到證實(shí)。向海參H. scabra體內(nèi)注射GnRH樣肽可顯著加速性腺發(fā)育, 提升性腺指數(shù)(GSI), 同時(shí)可刺激配子生成, 加速卵母細(xì)胞的成熟[23]。NGIWYamide可誘導(dǎo)仿刺參A. japonicus胚泡破裂和成熟卵母細(xì)胞釋放, 并刺激雌雄配子的釋放[57]。此外, SALMFamide可抑制海星生殖活動(dòng)。體外研究表明, SALMFamide-1(S1)可抑制海星A.pectinifera橈神經(jīng)索釋放松弛素樣肽RGP[38,41]。降鈣素樣肽可能參與調(diào)節(jié)海星A. rubens多個(gè)生理過程, 包括刺激配子釋放等[50]。松弛素樣肽RGP可促進(jìn)海星A. rubens和A. pectinifera配子成熟和卵子排放[34-35]。Kisspeptin神經(jīng)肽則參與調(diào)節(jié)仿刺參A. japonicus季節(jié)性繁殖[33]。
除了對肌肉、消化系統(tǒng)、生殖功能的調(diào)控外, 神經(jīng)肽還涉及其他生理活動(dòng)的調(diào)控。如, NGFFYamide神經(jīng)肽可在一定程度上抑制海星的攝食行為,SALMFamide神經(jīng)肽可調(diào)節(jié)海蛇尾的發(fā)光, 降鈣素樣肽可能參與調(diào)節(jié)海星的攝食和呼吸行為[36,41,47,50]。此外, 神經(jīng)肽NGIWYamide、stichopin和holokinin可調(diào)節(jié)仿刺參A. japonicus體壁結(jié)締組織硬度[54]。Stichopin能抑制乙酰膽堿引起的體壁硬化, NGIWYamide可使體壁硬化, 而holokinin則可使體壁軟化[54]。海星A.rubensVP/OT型神經(jīng)肽asterotocin可引發(fā)A. rubens的攝食行為, 使海星的腕發(fā)生彎曲并阻止口面向上的海星翻正[51]。
神經(jīng)肽是一種古老的神經(jīng)信號介質(zhì), 在動(dòng)物體內(nèi)調(diào)節(jié)多種生理過程和行為, 原口動(dòng)物和后口動(dòng)物的共同祖先中已存在大量的神經(jīng)肽信號通路[32,58]。在脊椎動(dòng)物和原口無脊椎動(dòng)物神經(jīng)肽信號系統(tǒng)及其功能方面, 已取得了一系列研究進(jìn)展, 但對脊索動(dòng)物和原口動(dòng)物之間神經(jīng)肽信號系統(tǒng)的進(jìn)化關(guān)系仍缺乏研究[58]。棘皮動(dòng)物作為非脊索后口動(dòng)物, 在進(jìn)化上處于脊索動(dòng)物和原口無脊椎動(dòng)物的中間位置[50]。此外, 棘皮動(dòng)物還具有獨(dú)特的生物學(xué)特性, 如幼蟲時(shí)期為兩側(cè)對稱而成體為輻射對稱、身體組織可自切和再生等, 這在生物進(jìn)化過程中獨(dú)一無二[1]。因此,棘皮動(dòng)物是生物進(jìn)化研究的重點(diǎn), 也是神經(jīng)肽信號系統(tǒng)及功能研究的重要模型, 可為神經(jīng)肽信號系統(tǒng)的進(jìn)化史和比較生理學(xué)提供關(guān)鍵支撐[50]。
目前, 越來越多的棘皮動(dòng)物相繼完成基因組測序, 為神經(jīng)肽的進(jìn)化和多樣性研究奠定了基礎(chǔ)[58]。通過對海膽S. purpuratus基因組分析, 首次在無脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了促甲狀腺素釋放激素型神經(jīng)肽(TRH),
并在后口動(dòng)物中首次發(fā)現(xiàn)pedal肽型神經(jīng)肽, 其與軟體動(dòng)物pedal肽和節(jié)肢動(dòng)物orcokinin型肽同源, NG肽的發(fā)現(xiàn)將甲殼動(dòng)物心源性神經(jīng)肽(CCAP)和脊椎動(dòng)物神經(jīng)肽S(NPS)歸類到同一個(gè)神經(jīng)肽家族[29,49,58]。此外, 通過對海星A. rubens神經(jīng)轉(zhuǎn)錄組測序結(jié)果分析, 首次在脊索動(dòng)物外發(fā)現(xiàn)了kisspeptin和MCH型神經(jīng)肽的前體, 并在后口動(dòng)物體內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)GnRH型神經(jīng)肽[58]。由于無脊椎動(dòng)物缺乏性腺軸, 因而GnRH型神經(jīng)肽在無脊椎動(dòng)物中并非真正意義上的促性腺激素釋放激素, 僅表明其與最初在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的促性腺激素釋放激素具有同源關(guān)系[4,20]。在昆蟲和其他節(jié)肢動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)的AKH、紅色素聚集激素、corazonin肽(CRZ)和AKH/CRZ相關(guān)肽(ACP)均為GnRH的同源肽[4,20]。海星A. rubens體內(nèi)的兩種GnRH型神經(jīng)肽(GnRH1、GnRH2)可同時(shí)激活GnRH型和CRZ型受體, 表明這兩種信號通路同源, 可追溯至兩側(cè)對稱動(dòng)物共同祖先的同一基因[4]。此外, 棘皮動(dòng)物SALMFamide神經(jīng)肽、脊索動(dòng)物GnIH/NPFF型神經(jīng)肽和原口動(dòng)物SIFamide型神經(jīng)肽之間存在相似結(jié)構(gòu)特征, 表明這些肽可能衍生自同一信號系統(tǒng)[38]。不同種類的神經(jīng)肽同源物往往具有高度的差異性, 僅根據(jù)神經(jīng)肽序列的比較來確定神經(jīng)肽之間的關(guān)系非常困難[4]。因此, 識別介導(dǎo)神經(jīng)肽作用的受體對于確定不同門中神經(jīng)肽家族代表的同源性至關(guān)重要[4]。利用這種方法, 可發(fā)現(xiàn)不同神經(jīng)肽的同源關(guān)系,并可詳細(xì)重建神經(jīng)肽信號通路的進(jìn)化歷史, 如神經(jīng)肽S、NG肽、CCAP神經(jīng)肽家族[4]。目前, 雖然對神經(jīng)肽整體進(jìn)化過程的研究還不完善, 但在過去十年取得了顯著進(jìn)展。神經(jīng)肽研究從大量不相關(guān)多肽分子的無序集合到現(xiàn)在已開始重建神經(jīng)肽進(jìn)化的核心框架,這其中就包括棘皮動(dòng)物門神經(jīng)肽相關(guān)研究[4]。全基因組的研究已開始揭示神經(jīng)肽信號系統(tǒng)的進(jìn)化起源, 為棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽系統(tǒng)的分析提供了新思路[58]。
從最早期的SALMFamide神經(jīng)肽研究至今已有幾十年, 隨著研究方法和技術(shù)不斷進(jìn)步, 目前已將組學(xué)測序、原位雜交、免疫組化、藥理學(xué)和行為學(xué)等研究方法綜合應(yīng)用于棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽相關(guān)研究, 并在近些年取得一定成果[1]。盡管研究方法較為系統(tǒng), 但總體來看, 棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽的研究相較其他無脊椎動(dòng)物[如果蠅(Drosophila melanogaster)、線蟲(Caenorhabditis elegans)、海兔(A. californica)等]仍處于初級階段。
隨著組學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用, 在海膽綱、海參綱、海星綱和海蛇尾綱中先后鑒定出幾十種神經(jīng)肽, 而海百合綱相關(guān)研究成果鮮有報(bào)道[7]。除SALMFamide神經(jīng)肽相關(guān)研究外, 海百合其他神經(jīng)肽研究較少。海百合為非典型棘皮動(dòng)物, 其神經(jīng)肽研究常被忽略, 但其系統(tǒng)發(fā)育地位與現(xiàn)存的其他4類棘皮動(dòng)物相同, 均屬于后口無脊椎動(dòng)物[7]。因此通過對海百合綱的轉(zhuǎn)錄組、基因組序列數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以鑒定其神經(jīng)肽種類, 可進(jìn)一步完善棘皮動(dòng)物中神經(jīng)肽種類鑒定, 為棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽進(jìn)化提供新見解[7]。
目前, 有些神經(jīng)肽已被鑒定和提純, 如SALMFamide、pedal肽、NG肽、GnRH型神經(jīng)肽、luqin神經(jīng)肽等, 但仍有大量神經(jīng)肽結(jié)構(gòu)需根據(jù)其前體蛋白推定, 限制了神經(jīng)肽的功能研究。因此, 需進(jìn)一步鑒定和提純更多棘皮動(dòng)物成熟神經(jīng)肽, 以及發(fā)現(xiàn)更多棘皮動(dòng)物特異型神經(jīng)肽, 為神經(jīng)肽的功能研究提供基礎(chǔ)。
神經(jīng)肽功能研究是神經(jīng)肽研究的重點(diǎn), 信號系統(tǒng)可從一定程度上為功能研究提供思路。用神經(jīng)肽處理離體組織或者向棘皮動(dòng)物體內(nèi)注射等藥理學(xué)方法, 均可進(jìn)行功能研究。目前, 已鑒定出的棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽已有不少, 但深入研究組織表達(dá)和生理作用的神經(jīng)肽相對較少。除SALMFamide、GnRH型肽、NG肽等少數(shù)神經(jīng)肽外, 神經(jīng)肽信號系統(tǒng)及功能研究主要集中在海星綱, 其他幾類棘皮動(dòng)物相關(guān)研究仍較少見。棘皮動(dòng)物神經(jīng)肽研究不僅需擴(kuò)大研究廣度,涉及不同神經(jīng)肽、不同棘皮動(dòng)物及其不同生長階段,還需加大研究深度, 對每種神經(jīng)肽的信號系統(tǒng)特征及功能進(jìn)行深入研究。
隨著全球氣候變化和人類活動(dòng), 棘皮動(dòng)物資源過度開發(fā), 海水養(yǎng)殖成為緩解和保障優(yōu)質(zhì)水產(chǎn)品供給的重要途徑。仿刺參等是我國重要的海水養(yǎng)殖對象, 其種苗生產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的保障,其育苗過程中, 多采用陰干、流水、溫度等刺激產(chǎn)卵進(jìn)而培育健康種苗。在明確神經(jīng)肽功能的基礎(chǔ)上, 通過發(fā)揮神經(jīng)肽對棘皮動(dòng)物的攝食、生長、繁殖等的調(diào)控作用, 可為棘皮動(dòng)物采捕設(shè)施的研發(fā)和增殖放流策略的制定提供參考, 為刺參工廠化養(yǎng)殖、池塘養(yǎng)殖等增養(yǎng)殖模式創(chuàng)新提供支撐, 為將來解決棘皮動(dòng)物種苗生產(chǎn)和養(yǎng)殖問題提供新的思路和方法[55]。