压调节机制的研究进展范文

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《海洋渔业杂志》2015年第六期

暗纹东方鲀(Takifugufasciatus)隶属鲀形目(Tetraodontiformes)，鲀科(Tetrodantidae)，东方鲀属，是一种典型的溯河洄游鱼类，也是东方鲀属中最能适应淡水生活的少数鱼类之一。因暗纹东方鲀具有体型较大、生长速度较快、肉质鲜嫩以及较高的市场价值等优势，目前已经成为我国主养河鲀鱼种类之一。近年来，国内暗纹东方鲀养殖业的发展很快。科研方面，1958年，黄海水产研究所首先在国内开展了暗纹东方鲀的人工繁殖实验研究，随后浙江、山东、河北、上海、江苏等省市高校和研究所陆续开展了暗纹东方鲀的人工繁殖和育苗工艺探索，90年代后，南京师范大学、上海市水产研究所等单位对暗纹东方鲀的全人工繁殖研究获得成功，以上成果为暗纹东方鲀规模化养殖和增殖保护奠定了基础。暗纹东方鲀作为一种典型的广盐性硬骨鱼类，具有适应水环境中广泛盐度的能力。广盐性鱼类的盐度适应机制是一个复杂的过程，涉及到鱼体内一系列渗透调节组织及器官应对盐度变化而产生的生理反应。广盐性鱼类耐盐性研究是鱼类基础生物学的重要组成部分，它有助于深化我们对从基因调节和信号转导到离子运输、渗透调节和无机营养这一过程的认识。到目前为止，国内外学者已相继开展了暗纹东方鲀渗透压调节机制的相关研究，这些研究结果有助于暗纹东方鲀的苗种培育、规模化养殖以及养殖区域的扩大。本文将从渗透压调节相关的分子、细胞、组织器官和系统等水平总结近年来有关暗纹东方鲀渗透压调节的研究进展。

1渗透压调节的组织和器官

体外水环境的变化直接影响鱼的体液渗透压进而影响鱼的存活、生长以及繁殖，因此鱼类必须通过调节体内水分和盐分平衡以维持体内渗透压平衡。暗纹东方鲀具有很强的渗透压调节能力，且形成了较高级的渗透压调节机制，渗透压调节由鳃、肾和肠对离子和水的共转运来完成。鳃是鱼类渗透压调节和离子运输的主要器官，鳃上皮的泌氯细胞中含有大量的Na+，K+-ATPase，该酶是氯细胞离子转运的关键酶，其含量和活力依环境盐度变化而发生变化;暗纹东方鲀、红鳍东方鲀(T．rubripes)和星点东方鲀(T．niphobles)等6种东方鲀属鱼类均具有肾小球肾单位，但仅暗纹东方鲀具有远端段的淡水鱼型肾单位，远端部分的存在是暗纹东方鲀适应广泛盐度环境的最重要因素之一。当环境盐度过高时，鱼体内肠上皮细胞吸收大量的海水以补充丢失的水分，同时利用鳃的泌氯细胞分泌过多的离子。与之相反，当遇到低渗环境如淡水时，将会吸收过多的水分并产生离子扩散丢失现象，为了保持体内渗透压平衡，需要通过肾组织和膀胱排出体内过多水分同时利用鳃组织主动吸收外界离子。

2渗透压调节机制

暗纹东方鲀在其生活史的不同时期分别生活在淡水或海水中，能适应较大的盐度变化，并维持体内相对稳态。它们依靠自身逐渐进化形成的生理机制来平衡因体外水环境中盐度改变而产生的渗透压变化。其中主要的渗透压调节机制具体涉及到以下4个层面:激素、细胞、离子通道蛋白和基因。

2．1激素水平调节肾上腺髓质素(AM)是KITAMURA等首先在人手术切除的嗜铬细胞瘤组织中分离出来的一种具有扩血管和利尿活性的多肽。它与降血钙素基因相关肽(CGRP)结构相似，并且属于相同的肽家族。CGRP和AM共享一个G蛋白偶联核心受体，即降血钙素受体样受体(CLRs)，该受体与受体活性激素蛋白(RAMPs)相互作用决定其特异性。暗纹东方鲀含有5个肾上腺髓质素基因(AM1-5)，在其盐度适应实验过程中，NAG等研究发现，利用RAMPs和CLRs的可能性组合转染COS7细胞，阳性反应的组合可引发环腺苷酸(cAMP)对于不同生理浓度的AMs的反应，结果如下:CLR1-RAMP2a/2b/3/5(AM1)，CLR2-RAMP2a/2b(AM1)，CLR1-RAMP3(AM2)，CLR1-RAMP3(AM5)。暗纹东方鲀体内的CLR1-RAMP5型AM1在鳃组织中表达，表明AM1在渗透调节过程中起作用;CLR1-RAMP2a型AM1集中定位在暗纹东方鲀肾组织的特定区域，且在肾小球过滤和肾小管的重吸收过程中扮演着重要的调节性角色。另外HINO等研究发现，AM1包含在肾小球滤过液中，除了具有分泌功能外，还可以作为一种激素起作用。

2．2细胞水平调节氯细胞高度富集于鱼的鳃丝上皮，并在鱼类渗透调节中起到了重要作用。BONGA等根据氯细胞生长周期各阶段的超微结构特点，将氯细胞分为附细胞、不成熟细胞、成熟细胞以及退化细胞，其中只有成熟细胞才具有完全的离子转运能力。氯细胞个体较大，且具有大量的线粒体，因此又称为线粒体丰富细胞，可为离子的逆浓度梯度的跨膜主动运输提供能量;氯细胞除顶端区域较窄外，整个胞质充满着发达的呈分枝状的微小管系统，且分布有大量的与转运功能相关的Na+，K+-ATPase。氯细胞不仅能够在淡水中吸收少量的离子，还能在海水中分泌大量的盐。氯细胞随鱼类生存环境的改变而呈现出体积、数量、结构复杂程度等一系列的变化，从而引起鳃对离子转运方式及能力上的改变。淡水条件下，暗纹东方鲀幼鱼的血浆渗透压和鳃丝Na+，K+-ATPase活性皆处于较低水平;转移到盐度10海水后，氯细胞的数目较淡水中有所增加，血浆渗透压呈现出上升趋势;转移到盐度20海水后，氯细胞发生皱缩，血浆渗透压上升程度更为剧烈;转移到盐度30海水后，氯细胞内部线粒体数目增多，血浆渗透压值迅速升高，与其它盐度组存在显著差异，鳃丝Na+，K+-ATPase活性也达到最高。

2．3离子通道蛋白水平调节目前有关暗纹东方鲀渗透压调节的离子通道蛋白包括Na+，K+-ATPase、NBCe1、Slc26a6A等，其表达水平调节见表1，每种离子通道蛋白在应对盐度变化时都显现出不同的表达特性。

2．3．1Na+，K+-ATPase(NKA)NKA是一种能够产生离子和电势梯度并用于离子运输的关键酶，不仅对维持细胞内环境稳定至关重要，而且可为鱼类上皮细胞中的离子转运提供动力支持。该跨膜多次的整合膜蛋白由2个亚基(α和β)组成，主要分布于鳃上皮的氯细胞中。暗纹东方鲀幼鱼鳃丝的NKA活力在淡水条件下处于较低水平，盐度升高后，各试验组NKA活力呈现出不同程度的上升趋势。

2．3．2HCO3－转运体(NBCe1/Slc26a6A和Slc26a6B)HCO3－转运体主要分布在SLC4和SLC26两个基因家族中，其中，SLC4家族有10个基因成员，NBCe1则是这些基因的表达产物之一。生电型的Na+－HCO3－共转运体NBCe1，位于肠上皮细胞的基底外侧膜上，不仅在肠上皮细胞HCO3－分泌过程中扮演着重要的角色，同时对于暗纹东方鲀适应海水环境亦至关重要。再者，从淡水转移到海水后，暗纹东方鲀肠组织中的NBCe1基因高度表达，且有显著差异。

2．3．3SO42－转运体(Slc26a6A)SO42－是海洋中含量仅次于Cl－的阴离子，海洋鱼类通过肾组织分泌体内过量的SO42－，使其保持正常的生理浓度，这对于鱼类的存活是必须的。Slc26a6A是一个生电型的Cl－/SO42－交换体，间接通过Na+泵(Na+，K+-ATPase)驱动，在海洋性硬骨鱼类肾近端小管细胞顶端区域，在分泌过量SO42－的过程中扮演着重要的角色。在暗纹东方鲀适应海水的实验过程中，WATANABE等和KATO等的研究结果表明，Slc26a6A是鱼类适应海水的关键分子之一。此外，在东方鲀属基因组Slc13和Slc26的家族中，海水条件下暗纹东方鲀肾组织中的mfSlc26a6A因其表达水平变化较显著，是最有可能的SO42－转运体。

2．3．4Mg2+转运体(Slc41a1/cyclinM3)Mg2+是海水中除了Na+之外含量最高的阳离子，海洋性硬骨鱼类通过饮用海水并分泌离子以维持体内水分和离子平衡。暗纹东方鲀含有5个Slc41(Slc41a1、Slc41a2a、Slc41a2b、Slc41a3a和Slc41a3b)基因家族成员，但将暗纹东方鲀从淡水转移到海水后，仅有Slc41a1基因在肾组织中高度表达。ISLAM等通过原位杂交和免疫组化法分析发现，离子转运体Slc41a1位于近端小管顶端胞浆的液泡中，通过调节细胞质基质到液泡内腔的Mg2+转运以控制Mg2+的分泌。细胞周期蛋白M(CyclinM，Cnnm)是一种古老的保守域蛋白。暗纹东方鲀中包含6个细胞周期蛋白M的家族成员:2个Cnnm1的直系同源物，1个Cnnm2、1个Cnnm3和2个Cnnm4的直系同源物。海洋硬骨鱼类的肾是Mg2+分泌的主要场所，并产生带有高浓度Mg2+的尿液。qRT-PCR分析表明Cnnm2、Cnnm3和Cnnm4a基因在海水暗纹东方鲀肾脏中表达，然而只有Cnnm3基因表达上调，且具有显著差异。ISLAM等通过原位杂交和免疫组化法分析海水条件下暗纹东方鲀的肾组织，发现Cnnm3基因在近端小管表达，其产物位于侧膜。以上研究结果表明Cnnm3在海洋硬骨鱼类体液的Mg2+平衡中扮演着重要的角色。

2．3．5Ca2+转运体(NCX2a)NCX是一个膜蛋白家族，按其分类亦可作为溶质转运体8(TheSodium/CalciumExchangerFamily，SLC8)家族。暗纹东方鲀中包含7个NCX基因(NCX1a、NCX1b、NCX2a、NCX2b、NCX3、NCX4a和NCX4b)家族成员。海洋鱼类必须饮用海水以摄取水分，然而吸收海水的同时大量离子亦随之进入，因此海水硬骨鱼类需要通过肠和肾组织分泌过量的Ca2+以维持体内Ca2+的平衡。在暗纹东方鲀盐度适应实验中，ISLAM等通过原位杂交和免疫组化法分析表明，NCX2a在肾组织近端小管的顶膜上表达;并且，NCX基因家族成员在不同组织中的qRT-PCR分析亦表明仅有NCX2a在海水暗纹东方鲀肾组织中高度表达。以上研究结果证明NCX2a调节肾脏Ca2+的分泌，并且在海洋性硬骨鱼体内Ca2+平衡上起着重要的作用。

2．3．6水通道蛋白水通道蛋白是整合膜蛋白，属于主体内在蛋白(MIP)家族，水通道蛋白选择性的指导水分子进出细胞，同时阻碍离子和其它溶质的通道，对于各种器官中的液体运输机制有重要影响。水通道蛋白家族包括传统的水选择性通道蛋白(如AQP1)以及水－甘油跨膜输送的蛋白(如AQP3)。在暗纹东方鲀盐度适应实验中，AQP3在鳃组织中为水的进出提供了通道，故相对于其它组织AQP3基因在鳃上表达水平较高;与之相反，AQP1在暗纹东方鲀鳃组织的渗透调节功能上具有限制性，但其基因在海水条件下的肾组织中高度表达。当暗纹东方鲀由高盐度转移到低盐度环境时，除了利用身体排水来调节渗透入水外，还通过鳃组织维持渗透压平衡，AQP3和AQP1亦通过其基因表达水平的变化来应对盐度变化。

2．3．7Na+/K+/2Cl－转运体(NKCC)和Na+/Cl－转运体(NCC)NKCC是一种跨膜蛋白，该蛋白穿过膜运输Na+、K+和Cl－。因这些离子以相同的方向移动，故NKCC也被称为协同转运子。钠氯协同转运蛋白NCC是电中性的阳离子结合氯离子的转运蛋白，也称为钠氯离子同向转运体，具有肾脏中再吸收钠及氯离子的功能。在暗纹东方鲀盐度适应实验中，KATO等的研究结果表明，远端肾单位中NaCl的重吸收在淡水中由NKCC2(NKCC其中一种亚型)和NCC共同控制，海水中则单独由NKCC2调控。

2．4基因水平调节盐度胁迫的许多生理性适应是通过基因表达水平的变化来调控的，许多研究已验证了广盐性鱼类应对渗透胁迫的渗透压调节机制是至关重要的。如与暗纹东方鲀近缘的红鳍东方鲀，将其由海水转移到咸淡水中，通过渗透调节器官(鳃、肾、肠)中催乳素受体(PRLR)基因表达水平的变化以维持体内渗透压平衡。目前，暗纹东方鲀在盐度胁迫中高度表达或被抑制表达的离子转运和激素基因研究已有报道。

2．4．1离子转运基因NKA基因编码的蛋白质对于细胞内包含相对较高浓度的K+和较低浓度的Na+有重要意义。JEONG等研究发现，淡水条件下暗纹东方鲀幼鱼不同器官中的NKA表达量有显著性差异，海水条件下鳃和肠之间无差异，而两组织和肾间均差异显著。NKA主要分布在鳃组织，幼鱼从淡水转移到海水，初始时表达量急剧上升达到最高值，然后快速降低，最后逐渐恢复至起始值直至实验结束。与之相反，从海水转移到淡水，NKA表达量无显著变化，仅仅在转移起始时表达量有较小幅度的升高。NKCC是一种编码跨膜蛋白的基因，该蛋白穿过膜运输Na+、K+和Cl－。暗纹东方鲀幼鱼肾组织中的NKCC2基因在远端小管表达，且在淡水和海水条件下表达量皆较高。钠氯协同转运基因(NCC)在肾脏中参与编码一种协同转运蛋白，用于钠离子和氯离子的重吸收。淡水条件下暗纹东方鲀幼鱼肾脏组织中的NCC表达量较高，在鳃组织中表达量则较低。然而，在海水条件下，肾脏和其集合管细胞的顶端膜中NCC的表达量皆有较大程度的降低。以上研究结果表明，肾脏中NCC基因的表达与河鲀鱼适应淡水之间相关联。水通道蛋白基因(AQP)编码一种蛋白，该蛋白位于细胞膜上，即内在蛋白，又名水孔蛋白，在细胞膜上形成孔道，可控制水的进出。AQP1在不同器官不同盐度下的表达量均有显著性差异，淡水和海水条件下肠中的表达量均高于鳃和肾。鳃组织中的AQP3在淡水条件下的表达量显著高于肾脏和肠，而在海水中，各个组织器官的表达量均差异显著。

2．4．2激素基因催乳素受体(PLR)基因编码垂体前叶激素(催乳素)受体。淡水条件下暗纹东方鲀幼鱼不同器官中的PLR基因表达量明显不同，肾中最高;而在海水中仅有鳃的PLR表达量与其它器官有显著性差异。PLR通过阻碍离子的丢失和水的吸收在鱼类渗透压调节过程中扮演着重要的角色。PLR能够调节含有NKA的氯细胞的密度和数目，但是目前关于PLR对于鳃组织NKA基因所起到的调节作用仍未有明确的认识。即使暗纹东方鲀转移到高盐度环境下，鳃组织中NKA基因表达量急剧增加，但鳃组织中PLR基因的表达量并没有与NKA呈现出明显的相关性。因此，我们需进一步利用盐度细胞的组织学标记等相关技术，来证明该物种中NKA和PLR的相互关系。

3小结与展望

暗纹东方鲀渗透调节适应机制的研究是鱼类生理学上的重点研究领域之一。然而，国际上对硬骨鱼类盐度调控的相关研究更多的偏重于渗透压调节机理研究，研究层次虽广但深度不够。本综述总结了近年来有关暗纹东方鲀渗透压调节方面的研究成果，有助于对暗纹东方鲀渗透压调控分子机制进行深层探究，最终形成完善的系统性调控网络体系，进一步深化人们对鱼类渗透压调控的认识，并为暗纹东方鲀的苗种培育、规模化养殖和养殖区域的扩大提供理论依据。对暗纹东方鲀渗透压调节的研究需要我们挖掘更多的渗透压调控相关基因、蛋白以及上下游通路所形成的协同调控因子。目前，由于暗纹东方鲀基因组信息缺乏，所了解的参与渗透压调节的基因和蛋白还很有限，而与暗纹东方鲀近缘的红鳍东方鲀已有全基因组序列，其渗透压相关基因和蛋白也已得到深入研究。因此今后需加强暗纹东方鲀基因组学的研究，同时需联合转录组和蛋白质组学阐明暗纹东方鲀的渗透压分子调节机理，以便更全面理解和揭示暗纹东方鲀的渗透压调节机制，从而为我国河鲀养殖产业可持续发展提供理论支撑。

作者：王丽 王小鲁 梁奋飞 尹绍武 钱晓明 卢玉平 单位：南京师范大学生命科学学院 江苏省生物多样性与生物技术重点实验室 江苏中洋集团股份有限公司