摘要 拥有强大的渗透压调节能力对广盐性鱼类的生存至关重要。目前, 关于鱼类渗透压调节机制已有不少研究, 但均存在较大的局限性。本文从广盐性鱼类渗透压信号转导机制、渗透胁迫的细胞调控机制、渗透调控的内分泌调节机制和无机离子通道和转运蛋白介导的渗透调控等方面对广盐性鱼类的渗透压适应性和生理可塑性机制进行分析, 以期从分子、细胞、通路和生理等层次初步探索广盐性鱼类盐度胁迫后的可塑性表型变化和不同盐度条件下的应答机制, 为广盐性鱼类的渗透压调节机制的深入研究奠定基础。对广盐性鱼类渗透压适应性与生理可塑性机制研究, 有助于研究其环境适应机理, 促进野生鱼种的人工化养殖以及新品种的育种从而提高经济效益、社会效益和生态效益, 对促进水产养殖学进步以及养殖业的发展具有重要意义, 同时, 为研究广盐性鱼类的渗透压调节机制开辟新的研究方向。
关键词 广盐性; 渗透压; 信号转导; 细胞调控; 内分泌调控; 离子通道; 转运蛋白
盐度是影响水生生物生存环境的重要生态因子, 也是影响鱼类各种生理活动的重要非生物因素。盐度变化直接影响鱼类生长甚至生存, 迫使鱼体进行相应的生理活动保持体液渗透压的动态平衡。广盐性鱼类具有较强的渗透压调节能力应对生存环境中大幅度盐度变化, 这种适应性内稳态反应能力对鱼的存活至关重要, 也为人们提供了研究离子渗透调节及分子可塑性的模型。
由感知盐分平衡变化、编码盐度变化方向和大小的信号网络以及渗透压效应器共同组成了广盐性鱼类强大的渗透压调节机制(Lam et al, 2014)。目前, 关于广盐性鱼类的渗透压调节机制的研究主要集中于盐度对广盐性鱼类表观、生态效率、激素、酶、代谢的影响以及盐度相关基因的研究。随着技术的发展, 渗透压调节机制的研究已深入代谢通路和信号转导通路以及转录组学和基因组学等研究领域。但真正结合前人的研究从鱼类渗透压调节过程分析广盐性鱼类的渗透压调节机制的文章尚未见报道。
中国作为水产养殖业大国, 水产养殖业可用总面积达 3172 万 ha, 其中海水养殖可用总面积 438 万 ha, 淡水养殖可用总面积 2734 万 ha; 截止 2014 年, 全国水产养殖总面积 838.636 万 ha, 其中海水养殖面积 230.547 万 ha, 从 2010 年至 2014 年海洋养殖面积逐年增加(图 1), 但增速较小。养殖技术与养殖品种的局限性, 导致海水养殖面积利用率低, 限制了水产养殖业的进一步发展。通过研究鱼的生态效率和表观数据与盐度的关系, 考察盐度对鱼类生长以及体重和肌肉成分的影响(刘贤敏等, 2008), 可以根据当地水文特征选择最优养殖品种; 通过研究广盐性鱼类的盐度相关基因和分子标记结合分子标记辅助育种技术选育耐盐新品种(马爱军等, 2011); 通过对洄游性鱼类的渗透压调节机制的研究, 可以模拟洄游环境进行人工化养殖; 通过研究激素与鱼类渗透压之间的关系(Sakamoto et al, 1997), 了解不同盐度胁迫下激素的表达变化种类和模式以及鱼类耐盐的原因可在生产中尝试用激素来改善鱼类的耐盐能力, 提高养殖效益。因此, 本文结合前人的研究对广盐性鱼类渗透压适应性与生理可塑性机制研究, 有助于研究其环境适应机理, 促进野生鱼种的人工化养殖以及新品种的选育从而提高经济效益、社会效益和生态效益, 对促进水产养殖学进步以及养殖业的发展具有重要意义, 同时, 为研究广盐性鱼类的渗透压调节机制开辟新的研究方向。
1 广盐性鱼类渗透压信号转导机制
信号转导是细胞实现通讯的关键过程, 对于多细胞生物细胞间的协调、控制细胞的生长和分裂、组织的发生与形态建成是不可或缺的。由盐度变化形成的渗透压可能作为信号分子, 通过细胞体积的改变直接或者间接的影响增殖、代谢以及程序性死亡。广盐性鱼类在渗透压调节过程中, 通过信号转导使鱼体在整体上对外界环境的变化做出最适宜的反应。罗非鱼作为广盐性鱼类, 具有极强的盐度适应能力, 在海水与淡水中皆可生存, 因此可作为研究广盐性鱼类盐度适应信号转导的经典模型。
1.1 低盐环境下信号转导机制
在淡水环境中受到盐分丢失的低渗胁迫, 莫桑比克罗非鱼(Oreochromis mossambicus) (Lam et al, 2014)鱼鳃中与细胞形态和细胞体积调控相关的信号通路上调减少水的吸收、保持细胞体积稳定(表 1)。通过增加具有隔离和重吸收盐离子的离子细胞进行细胞景观重塑的相关信号通路在低渗胁迫后均上调, 此类通路在低渗胁迫后的细胞连接、细胞运动以及细胞形态保持中发挥重要作用。而且与细胞生长、细胞增殖发育相关的信号通路以及与细胞死亡和存活相关的 PETN 信号、14-3-3 介导信号和 SAPK 信号等信号通路也在罗非鱼的低渗胁迫的渗透压调节中发挥重要作用。
1.2 高盐环境下信号转导机制
在海水环境中, 莫桑比克罗非鱼鱼体通过鳃丝增加富含线粒体的离子细胞主动排出过多的盐分保持离子浓度梯度(Lam et al, 2014)。由高渗胁迫和盐排出的能量消耗引起的细胞新陈代谢和线粒体活动增加导致氧化应激, 近而加速细胞损伤和细胞周转。罗非鱼在高渗胁迫下, 与线粒体活动相关的经典信号通路, 如 TCA 循环和脂质代谢等生理过程出现基因差异表达和基因富集; 而且涉及细胞周期和细胞分化, DNA 复制、重组和修复, 生理代谢和产能, 蛋白质合成和降解等范畴的经典信号通路均被用于渗透压调节。鱼体高盐适应的生理活动通过反馈机制影响其信号分子的表达, 因此, DNA 复制与修复、蛋白质合成降解以及细胞周期调控的信号分子增加(表 2)。
1.3 丝分裂原激活蛋白酶(MAPK)信号通路转导机制
从分子生物学和细胞组学角度深入研究基因功能和表达差异发现, 有丝分裂原激活蛋白酶(MAPK) 信号通路(图 2)以及其亚家族信号通路在广盐性鱼类低渗调节过程中发挥重要作用。通过对 鱼鳉 (Fundulus heteroclitus) (Kültz et al, 2001)鳃细胞进行盐度差异化处理, 结合酶活动力学与表观分子学分析发现, 在低盐胁迫下, 鳉鱼鳃细胞通过提高 ERK1 酶的活性增强盐度信号在细胞表面受体与细胞核 DNA 之间的交流, 从而促进细胞对渗透压变化的响应; 同时提高应激激活蛋白激酶 2(SAPK2/P38)和应激激活蛋白激酶 1(SAPK1/JNK)的活性, 激活下游目标蛋白合成相应的调节因子调节渗透压平衡。在多种类型细胞中, 低渗细胞膨胀可引起 MAPK, 尤其是 ERK1/2 的激活。细胞类型的不同决定ERK1/2磷酸化是否在调控性体积减小过程中发挥作用。大菱鲆(Scophthalmus maxi mum) (Fouchs et al, 2010)肝脏细胞低渗应激后, ATP 从细胞内释放到细胞外介质中, 作为自分泌或旁分泌因子与嘌呤 P2 受体结合激活 ERK1/2 并级联激活细胞体积调控过程其他细胞事件(图 3)。鱼体通过转运上皮感知盐度变化引起整体渗透压的改变, 导致鳃组织中 MAP 激酶表达量和磷酸化的改变从而调控跨膜转运过程。在低盐急性胁迫后, 鳉鱼鳃上皮细胞 (Marshall et al, 2005)p38 磷酸化显著提高并通过 MAPK 信号通路的酶级联反应过程使离子转运细胞膨胀, 最终抑制氯离子分泌(图 4)。通过对 MAPK 信号通路对 鱼和大菱鲆鳃细胞渗透压调节发现 鳉 , MAPK 信号通路在鱼类的低渗调节中发挥重要作用。但对日本鳗鲡(Anguilla japonica)鳃原代培养细胞渗透压调节机制研究发现, ERK1/2 和 pp38 活性在高渗刺激后出现迅速且瞬时提高, JNK 活性也出现相对缓慢增加 (Chow et al, 2011)。推测原因是在盐度胁迫的日本鳗鲡体内, ERK1/2、p38 通过 MAPK 信号通路的酶级联反应过程直接进行渗透压调节, 而 JNK 通过增加相应蛋白的活性促进渗透质转运蛋白相关基因 Na+ /K+ -ATPase (NKA)、TauT 的表达, 间接进行渗透压调节。
2 渗透胁迫的细胞调控机制
由复杂调控机制介导的渗透感知将信号细胞外基质、细胞骨架和细胞内的离子强度、大分子拥挤和细胞膜拉伸与潜力等信号整合并作用于特殊效应蛋白, 从而维持恒定的细胞体积(Wehner et al, 2003)。虽然相当多研究已剖析这一基本过程, 但感受渗透压变化的蛋白质分子的确切机制尚未阐明。这可能是由于不同渗透压感知蛋白质信号串扰的复杂性使得单独阐述单个渗透感知信号级联放大过程变得非常困难。然而, 渗透感知蛋白引起的信号分子和下游效应蛋白的激活与细胞体积调控的相互作用对破解涉及多细胞功能的基础过程非常重要。
2.1 鳃细胞调控机制
鳃细胞信号感知系统激活信号级联反应, 进行鳃上皮功能转换, 从而使鳃细胞重塑促进细胞体积调控和跨膜离子转运(Chow et al, 2011)。淡水驯化的星斑川鲽(Platichthys stellatus)幼鱼(尤宏争等, 2013), 其鳃丝上生成少量泌氯细胞, 使鳃小片远端扁平细胞的气体交换通畅, 促使体内过多的 NaCl 排出体外从而维持体液渗透压平衡。但对蓝非鲫(Oreochromis aureus) (姜明等, 1998)不同渗透压水环境中细胞结构及机理的变化的形态学研究发现, 在高渗环境生活时, 蓝非鲫通过显著增大泌氯细胞胞体, 增加线粒体数量, 使微细小管系统发达且分布密集, 促进泌氯细胞的泌氯功能和细胞代谢水平迅速提高, 进行离子代谢平衡调节。鲈鱼(Lateolabrax japonicus)稚鱼(王艳等, 2009)通过增大泌氯细胞胞体以及胞质分布密集程度, 提高泌氯功能和代谢水平应对高盐胁迫; 在淡水中, 通过增大扁平细胞胞体和细胞之间紧密连接程度防止金属离子自由渗漏以及增加鳃丝上皮中的黏液细胞数量、增大胞体保护其下的组织免受机械损伤, 促进离子的交换进行渗透调节。采用扫描电镜和免疫组化技术, 研究尼罗罗非鱼(Oreochromis niloticus)鳃中氯细胞的分布及其不同盐度胁迫对氯细胞数目和形态变化的影响, 表明, 尼罗罗非鱼可通过改变各种亚型鳃氯细胞数量和形态结构来适应环境中的盐度变化, 推测Ⅰ型氯细胞和Ⅲ型氯细胞分别在低盐适应、高盐适应中起重要作用(庄青青等, 2012)。
2.2 肾细胞调控机制
鱼体受到盐度胁迫时, 鱼类重要渗透调节和免疫器官头肾、脾脏的细胞类型、细胞结构及细胞生理生化过程均会发生相应的变化, 以此增强机体免疫力并进行渗透调节。在盐度胁迫后 , 许氏平 鲉 (Sebastes schlegeli)头肾、脾脏组织中的中粒细胞的外部形态和细胞超微结构发生了明显变化, 而且各种粒细胞中的特殊颗粒数量明显增加, 个体增大, 并且不同类型的粒细胞还伴有线粒体、粗面内质网数量的增加(王晓杰等, 2006)。通过不同生境中的鲻鱼(Mugil cephalus)幼鱼肾组织光镜的比较观察, 淡水组和低盐度组的肾小球发达, 肾结构充实, 肾小管粗壮, 大多数均较饱满; 高盐度组则相反, 肾脏退化, 肾小球缩小甚至消失, 肾小管缩短, 肾小管细胞萎缩, 导致管径变大(于娜等, 2012)。通过对海水处理的淞江鲈鱼 (Trachidermus fasciafus Heckel)的肾组织切片观察发现, 肾小球毛细血管较淡水鲈鱼欠充实, 整个血管球的体积相对缩小, 且肾小体的肾小囊的壁层与脏层之间的腔隙明显增大(王先敏, 1988)。
广盐性鱼类渗透压适应性与生理可塑性机制研究相关期刊推荐：《科学养鱼》(月刊)是由中国水产学会、全国水产技术推广总站、中国水产科学研究院、淡水渔业研究中心主办的全国科普刊物。本刊以刊登水产实用养殖技术及信息为主，常辟有专论与综述、经营管理、苗种培育、海外渔业、海淡水养殖、渔业纵览、病害防治、市场动态、饲料园地、水产品加工、休闲渔业、编读往来等栏目。
2.3 调控性体积减小机制体
积恒定性对细胞的生存和正常功能至关重要。低渗细胞膨胀导致调控性体积减小(RVD)机制的激活抵消低渗诱导的细胞体积增加, 其是由细胞内渗透质和相关水分流动调控的复杂的体积调控机制。大菱鲆(Scophthalmus maximum)作为广盐性海水硬骨鱼类, 可通过触发有效的适应机制应对外界环境大幅度盐度变化。细胞外渗透质浓度降低时, 大菱鲆肝细胞通过激活细胞内酪氨酸激酶、p38MAPK 信号通路和 Cl– 和 K– 通道以及 Cl– /HCO3 – 特异性膜转运蛋白介导的调控性体积减小机制抵消低渗诱导的细胞体积增大应对瞬时渗透膨胀(Ollivier et al, 2006a)。研究发现, 蛋白激酶在低渗刺激的大菱鲆肝脏细胞的信号转导中发挥基本作用, 且蛋白酶抑制剂可显著减弱细胞体积调控。酪氨酸激酶通过触发体积波动感受机制和酶激活级联放大机制在大菱鲆肝脏细胞的调控性体积减小反应的早期阶段发挥重要作用(Hoffmann, 2000), 也可直接磷酸化 Cl– 通道促进 RVD (Tilly et al, 1993)。 p38MAPK 信号通路可能通过其作用机制直接作用于调控性体积减小过程, 也可能利用 p38 蛋白促进 Cl– 的流动以及降低细胞膜对 Na+ 的渗透性促进调控性体积减小过程。Fouchs 等(2009)研究大菱鲆(Scophthalmus maximum)肝细胞呼吸链与调控性体积减小过程的关系时发现, 糖酵解参与嘌呤信号转导过程, 并作为有氧能量代谢的第一步, 为线粒体呼吸提供丙酮酸, 然后合成调控性体积减小反应的必须元素 ATP, 存于细胞外囊泡中。大菱鲆肝细胞受到低渗刺激时, 引起肝细胞胞吐作用的强烈增加释放 ATP 作用于调控性体积减小过程。大菱鲆肝细胞 ATP 的释放包含一个钙依赖性机制, 低渗膨胀后的细胞体积恢复可能需要钙依赖性嘌呤通路和嘌呤依赖性钙信号通路的双重作用, 且钙浓度需要达到阈值来触发 ATP 释放机制。作为反馈信号, 细胞外的 ATP 可以结合到嘌呤上, 引起大的钙离子波动。即, ATP 释放诱导细胞游离钙含量增加, 当与细胞膜嘌呤受体结合时参与低渗胁迫后体积调控过程(Ollivier et al, 2006b)。
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