肖麗萍,王淑紅,*,鄒志華,王藝磊,張子平
1.集美大學水產(chǎn)學院,廈門361021
2.西東大學生物系,美國新澤西州07079
有機錫如三丁基錫(tributyltin,TBT),作為防污損生物附著的添加劑自20世紀60年代就廣泛應用于輪船、碼頭等涂料中,但在防污的同時對非靶生物也具有短期和長期的毒性效應,如可對哺乳動物的生殖系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)以及神經(jīng)系統(tǒng)等造成不同程度的損傷[1],也可導致草履蟲[2]、大型蚤[3]、腹足類[4]等水生無脊椎動物的性畸變和死亡。其中,最顯著的生態(tài)毒理學效應是誘發(fā)海洋腹足類的性畸變(imposex),由此導致的腹足類種群的衰退是目前海洋污染事件中最沉重的教訓[5]。性畸變是指軟體動物雌性個體產(chǎn)生不正常的雄性特征,如陰莖和輸精管的形成;性畸變嚴重時,會導致雌性個體生殖能力的喪失,造成種群衰退甚至局域性滅絕[6]。性畸變的研究最早起源于1970年在狗巖螺(Nucella lapillus)的報道,目前估計全世界發(fā)生性畸變的種類至少在200種以上,其中新腹足類有50多種[7-11]。
有機錫污染是一種典型的海洋污染事件,常規(guī)的物理和化學等監(jiān)測方法都存在操作復雜、不易觀察和辨別、靈敏性低和成本高等局限性,因而很多學者建議采用某些腹足類性畸變狀況來監(jiān)測不同海域有機錫的污染現(xiàn)狀。Gibbs等[12]根據(jù)狗巖螺畸變個體陰莖、輸精管和雌性生殖道的損傷程度將其劃分為6個不同的發(fā)展階段,并提出陰莖相對大小指數(shù)(relative penis size index,RPSI)、輸精管發(fā)展指數(shù)(vas deferens sequences index,VDSI)量化的方法來評估種群受影響的程度。之后,Shi等[7]根據(jù)畸變物種差異性提出了普適的性畸變劃分圖來更準確地反映性畸變的形態(tài)變化及程度評估。一些學者應用這些形態(tài)學指標相繼調(diào)查了世界各個海域腹足類的性畸變狀況[13-18]。利用腹足類性畸變的形態(tài)學變化監(jiān)測評估有機錫的污染是目前海洋環(huán)境生態(tài)學監(jiān)測的最成功范例,腹足類性畸變已成為內(nèi)分泌干擾物在種群水平影響生態(tài)平衡的重要證據(jù)[19-20],對類似內(nèi)分泌干擾物的風險評價和管理意義重大。因此,腹足類的性畸變可作為有機錫生物監(jiān)測的有效指標[4],并成為促使2003年國際海事組織全面禁止船體上涂含有TBT的防污漆的禁令頒布的主要原因和評判法規(guī)效果的重要標尺。
盡管腹足類性畸變形態(tài)學指標在有機錫污染監(jiān)測中發(fā)揮了重要的作用,但該類指標的應用仍存在一些問題。首先,性畸變形態(tài)學特征存在種屬差異,且這種方法僅適用于中腹足目和新腹足目的種類,對無明顯性別特征的原始腹足類如鮑等則不適用;最重要的是,形態(tài)學監(jiān)測手段只能檢測到較晚期的性畸變(往往已不可逆轉(zhuǎn)),無法預警預報,也難以達到保護生物種群的目的。因此,有必要進一步深入研究有機錫致腹足類性畸變的作用機制,進而篩選敏感的早期檢測指標。雖然腹足類性畸變的形態(tài)學變化已被廣泛用于監(jiān)測有機錫的污染狀況,但其分子機制一直眾說紛紜,主要原因在于軟體動物的性別決定機制至今尚未明確,性別決定和性別分化相關基因和蛋白尚未得以證實[21-24],相關研究的滯后大大增加了腹足類性畸變分子機制研究的難度。然而近年來,無論是傳統(tǒng)的脊椎動物類型的類固醇激素假說,還是較新的視黃酸X受體(retinoid X receptor,RXR)假說,都有了新的進展,尤其是 RXR受體假說,涌現(xiàn)了大量有價值的文獻。論文將結(jié)合近期的研究進展,對有機錫誘發(fā)腹足類性畸變分子機制的研究進行綜述,以便更全面地了解其致毒機理,為有機錫及其他內(nèi)分泌干擾物的早期快速監(jiān)測和重要水產(chǎn)經(jīng)濟資源的保護提供理論依據(jù)。
該假說認為腹足類體內(nèi)存在著類似于脊椎動物類型的性激素——睪酮和雌二醇,且腹足類的性別調(diào)控也類似于脊椎動物,由上述2種性激素調(diào)控。有機錫可通過影響性激素的合成或代謝過程而改變其在體內(nèi)的正常水平,進而導致性畸變。相繼有學者采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術[25-26]和放射免疫分析技術[27-28]證實并測定了這2種激素在腹足類和其他軟體動物中的存在。有關東泥織紋螺(Ilyanassa obsoleta)[29]、大洋角螺(Marisa cornuarietis)[30-31]、狗巖螺(Nucella lapillus)[32-34]、新西蘭泥螺(Potamopyrgus antipodarum)[35]的一些研究也似乎表明,這些激素在腹足類生殖和性畸變誘導中發(fā)揮著作用,但具體機制尚未闡明,相關的研究主要涉及性激素合成的關鍵酶P450芳香化酶和影響游離睪酮濃度的一些因素。
P450芳香化酶是脊椎動物負責將雄激素芳香化為雌激素的關鍵酶,該假說認為,TBT能抑制P450芳香化酶的活性,造成睪酮在體內(nèi)的積累而引起性畸變[32]。鄧瑞鵬等[36]通過細胞色素 P450,b5和細胞色素P450還原酶的含量測定發(fā)現(xiàn),性畸變疣荔枝螺(Thais clavigera)P450酶系的這3種組分與正常雌性螺有顯著差異,而與雄性螺更為接近;同時,Santos等[27]等進一步將狗巖螺暴露于芳香化酶抑制劑4-羥基-睪酮下,間接證明TBT可競爭性地抑制腹足類體內(nèi)P450芳香化酶的活性而誘發(fā)性畸變,但不能增加其嚴重程度。然而迄今為止,并無直接證據(jù)表明芳香化酶在無脊椎動物類固醇激素代謝過程中的作用;并且在對生蛤仔(Ruditapes decussatus)[37]和歐洲玉黍螺(Littorina littorea)[38]的研究中發(fā)現(xiàn),芳香化酶在睪酮代謝過程中只占極小的比例。更值得指出的是,脊椎動物類型的P450芳香化酶基因CYP19至今尚未在脊索動物門之外的無脊椎動物中被證實[21]。因此,很難用芳香化酶抑制假說來解釋睪酮在腹足類一些種類體內(nèi)的積累。
該假說認為,TBT能夠影響睪酮與脂肪酸的結(jié)合,通過影響游離睪酮的濃度而導致性畸變。Gooding 和 LeBlanc[39]以及 Janer等[28,40]的研究表明,在某些軟體動物,睪酮和雌二醇與脂肪酸的酯化結(jié)合是調(diào)控這些性激素水平的主要代謝途徑。Gooding等[41]的研究表明,東泥織紋螺能夠以脂肪酸酯化物的形式生物轉(zhuǎn)化和儲存多余的睪酮,并發(fā)現(xiàn)不同TBT濃度下東泥織紋螺體內(nèi)總睪酮含量不變而游離睪酮含量有所上升。Abidli等[42]研究了2種TBT敏感物種環(huán)帶骨螺(Hexaplex trunculus)和染料骨螺(Bolinus brandaris)在TBT暴露下類固醇激素(雌二醇和睪酮)的含量變化,進一步證明這2種性激素都同時以游離和酯化的形式存在于消化腺和性腺復合體中,且TBT暴露會引起雌性染料骨螺游離睪酮水平增加而酯化睪酮減少,而在雌性環(huán)帶骨螺中游離和酯化的睪酮水平都會顯著地上升,但TBT對這2種螺的雄性個體的睪酮和雌二醇水平都沒有影響。該研究表明TBT暴露會引起雌性個體游離睪酮增加,導致性激素比例失衡而誘發(fā)性畸變,并且TBT在不同物種、不同性別中對性激素代謝的影響存在差異。
盡管上述研究在腹足類組織中能檢測到類似于脊椎動物的雌雄激素,且有機錫的暴露干擾了某些種類體內(nèi)類固醇激素的水平,但由于并無直接證據(jù)表明軟體動物的性別調(diào)控機制與脊椎動物類似,且NCBI核苷酸數(shù)據(jù)庫中至今尚無脊索動物門之外的無脊椎動物CYP19基因的數(shù)據(jù),也尚無學術文章報道在無脊椎動物中分離獲得芳香化酶蛋白[22]。此外,在性激素受體研究方面,盡管類雌激素受體cDNA 已在疣荔枝螺[43]和東泥織紋螺[44]中被分離出來,但其編碼的蛋白是一種組成型轉(zhuǎn)錄激活因子,且雌激素并不能與該蛋白結(jié)合;同時,尚無任何有關成功克隆包括腹足類在內(nèi)的無脊椎動物雄激素受體的研究報道。Scott[23-24]在最新的綜述中指出,在軟體動物體內(nèi)檢測到類似于脊椎動物性激素的現(xiàn)有報道不能排除這些激素來源于其生活的水體環(huán)境而非軟體動物自身合成的可能性。因此,盡管腹足類體內(nèi)存在類似于脊椎動物的雌激素和雄激素,但由于缺乏對其生物合成途徑或來源的了解,以及有關受體的直接證據(jù),由此引出的脊椎動物類型的類固醇激素假說難以獲得有力支持。
該假說認為,TBT能經(jīng)由退化因子作用于腦神經(jīng)節(jié)而導致神經(jīng)肽陰莖形態(tài)發(fā)生因子(penis morphogenetic factor,PMF)的異常釋放,其中PMF負責雌性個體中陰莖的形成[45]。Féral和 LeGall[46]通過組織培養(yǎng)方法發(fā)現(xiàn),TBT暴露后提取得到的西歐骨螺(Ocenebra erinacea)神經(jīng)中樞能誘發(fā)未成熟的舟螺(Crepidula fornicata)陰莖形成區(qū)發(fā)育成為陰莖,且與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育同步,表明TBT能作為神經(jīng)毒素改變神經(jīng)激素如PMF的分泌而引起性別變異。目前有學者已在狗巖螺(Nucella lapillus)[47]、盤大鮑(Haliotis gigantea)[48]等個體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)TBT和三苯基錫(triphenyltin,TPT)的累積,表明TBT和TPT可能對神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)發(fā)揮毒性效應。此外,Oberd?rster和 McClellan-Green[29]報道了腹足類中樞神經(jīng)節(jié)分泌的一種神經(jīng)肽APGWamide(Ala-Pro-GLy-Trp-NH2),作為一種假定 PMF,能顯著誘發(fā)雌性東泥織紋螺性畸變;之后該作者進一步證實了APGWamide是腹足類東泥織紋螺的一種PMF,并且該物質(zhì)在性畸變個體和雄性個體中分布模式相似,都主要聚集于內(nèi)臟團[45]。然而,在上述研究中,由于TBT或TPT暴露導致過高的性畸變率和超長的陰莖,有可能弱化了APGWamide誘導或促進性畸變的作用;Santos[49]和 Castro 等[50]的研究卻發(fā)現(xiàn),APGWamide不能誘導染料骨螺和狗巖螺性畸變,而目前TBT暴露、神經(jīng)激素如神經(jīng)肽APGWamide異常釋放和性畸變之間的因果關系尚未有直接證據(jù)來證實,所以該假說也有待進一步的深入研究。
RXR是配體激活的轉(zhuǎn)錄因子核受體超家族成員,有α、β、γ共3種亞型,每種亞型分別由不同的基因編碼,可作為其他核受體異二聚體伙伴或同源二聚體在核受體調(diào)控信號通路中發(fā)揮作用,參與細胞生長、分化、代謝和胚胎發(fā)育等調(diào)節(jié)[51]。近年來,越來越多的證據(jù)表明,RXR參與TBT誘導腹足類性畸變過程。
Nishikawa 等[52]通過注射 9-順式維甲酸(9-cis retinoic acid,9cRA)、TBT和TPT,發(fā)現(xiàn)注射9cRA 會誘發(fā)雌性疣荔枝螺性畸變,在性畸變嚴重個體中RXR表達顯著增加,并利用酵母雙雜交系統(tǒng)檢測到有機錫能增強hRXRs與9cRA的作用。之后,Bouton等[53]克隆得到了光滑雙臍螺(Biomphalaria glabrata)RXR同系物;Castro等[50]克隆了狗巖螺RXRa和RXRb兩種亞型,并再次證實TBT與9cRA都能誘發(fā)性畸變。Horiguchi等[54]采用實時定量PCR、免疫印跡和免疫組織化學方法,發(fā)現(xiàn)雄性及發(fā)生性畸變的雌性疣荔枝螺陰莖中的RXR基因表達明顯高于正常雌性個體,表明RXR可能參與雌性腹足類在有機錫暴露下誘導雄性生殖器官(陰莖和輸精管)生成的機制;隨后該作者通過檢測TPT暴露下疣荔枝螺雌雄個體各組織中RXR表達水平,發(fā)現(xiàn)雌性個體陰莖的增長與陰莖形成區(qū)RXR的表達增強有關聯(lián),而在雄性個體中RXR表達沒有顯著變化,但其最高表達量也位于陰莖處,表明RXR對腹足類雄性及性畸變雌性個體的雄性生殖器官的發(fā)育起著重要作用[55]。Urushitani等[56]克隆和鑒定了疣荔枝螺RXRs兩種亞型,發(fā)現(xiàn)其氨基酸序列與哺乳動物和腹足綱其他種類的RXRs具有高度相似性,同時經(jīng)過磷酸化位點突變檢測發(fā)現(xiàn)9cRA應激下RXR亞型的轉(zhuǎn)錄活性顯著地高于對照組,并經(jīng)由順式重復序列1(direct repeat 1-type,DR1)反應元件使得轉(zhuǎn)錄活性發(fā)生變化,表明維甲酸可能在腹足類生殖器官發(fā)育及成分組成中發(fā)揮重要作用,并且亞型間差異可能是軟體動物內(nèi)分泌系統(tǒng)調(diào)控的功能基礎。此外,張紀亮等[57]綜述有機錫能夠作為RXR與過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferatoractivated receptor,PPAR)的激動劑引起螺類性畸變、促進脂肪分化并影響脂質(zhì)代謝平衡。
Lima等[58]認為,TBT暴露會使不同組織、不同性別中RXR轉(zhuǎn)錄情況存在差異而使腹足類雌性在畸變高級階段中RXR轉(zhuǎn)錄模式與雄性相同而產(chǎn)生雄性特征,并提出TBT誘發(fā)性畸變機制的RXR信號通路假說。該假說認為,正常陰莖分化過程中,類視黃素衍生物結(jié)合RXR后通過與RXR反應元件相互作用來調(diào)節(jié)雄性中樞神經(jīng)系統(tǒng)(the central nervous system,CNS)的靶基因,PMF編碼基因受RXR信號的控制并在雄性陰莖分化過程中被誘導,而PMF的釋放會啟動級聯(lián)事件從而形成陰莖和輸精管。在正常雌性中,PMF編碼基因在缺少RXR配體的情況下會被抑制而阻斷釋放;而TBT會異常結(jié)合雌性CNS中的RXR從而激活PMF編碼基因的信號通路,進而在雌性體內(nèi)誘發(fā)雄性陰莖分化的一系列級聯(lián)事件,最終形成陰莖,導致性畸變。性畸變起始可能獨立于性腺和/或消化腺,但由于TBT結(jié)合RXR可能會影響性腺、消化腺中類視黃素和類固醇代謝組件的編碼基因,導致這些激素水平失衡,轉(zhuǎn)而調(diào)控雌雄個體CNS和雄性生殖器的RXR信號通路。
近幾年,隨著性畸變相關研究的不斷深入,RXR假說逐漸成為性畸變機制研究的熱點。Sternberg等[10]綜述了腹足類性別分化及生殖調(diào)控的機制,認為一些腹足類性腺的恢復即生殖特征和第二附屬器官的再生長主要受季節(jié)調(diào)控,相關的環(huán)境因素通過刺激神經(jīng)及內(nèi)分泌系統(tǒng)的一系列反應而調(diào)控雌雄個體的性別分化、產(chǎn)卵、精子發(fā)生及交配行為。調(diào)控性腺恢復的主導環(huán)境因素是光照周期,其次是控制繁殖和產(chǎn)卵時間的溫度、營養(yǎng)狀況和寄生蟲等因素。TBT誘發(fā)性畸變,即阻斷雌性個體性腺及性別特征的顯性性別決定,這種因環(huán)境因素誘發(fā)或修改生殖過程的現(xiàn)象,會使腹足類不斷出現(xiàn)生理、行為和形態(tài)方面的適應性變化,以保證后代生存幾率的最大化。Gooding等[59]的研究也觀察到TBT暴露只對處于性腺恢復的臨時窗口期的東泥織紋螺產(chǎn)生作用,會刺激雌性個體的雄性特征發(fā)育,這從另一層面說明了TBT誘發(fā)腹足類性畸變的特殊性。上述研究表明,腹足類的性別分化很可能存在著關鍵的窗口期,光照、溫度、營養(yǎng)狀況以及某些特殊的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物如有機錫的存在,有可能徹底改變生物原來的性腺發(fā)育途徑,出現(xiàn)性畸變或性逆轉(zhuǎn),對傳統(tǒng)生殖系統(tǒng)發(fā)育理論提出了挑戰(zhàn)。
圖1綜合了本文論及的與有機錫致海洋腹足類性畸變分子機制相關的a、b、c三類假說。a為脊椎動物類型的類固醇激素假說,可分為芳香化酶抑制假說和游離睪酮水平調(diào)節(jié)假說。P450芳香化酶抑制假說認為TBT能抑制該酶的活性,阻斷雄激素芳香化為雌激素,造成雄激素在體內(nèi)積累而引起性畸變。游離睪酮水平調(diào)節(jié)假說認為TBT能抑制乙酰輔酶A與乙酰轉(zhuǎn)移酶進而阻礙睪酮與游離脂肪酸結(jié)合,引起雌性個體游離睪酮增加,導致性激素比例失衡而誘發(fā)性畸變。b為神經(jīng)肽假說,該假說認為TBT能經(jīng)由退化因子作用于CNS而導致PMF如神經(jīng)肽(APGWamide)的異常釋放,致使陰莖發(fā)育而產(chǎn)生性畸變。c為RXR假說,該假說認為TBT會結(jié)合雌性CNS中的RXR,通過與RXRRE(視黃酸X受體反應元件)相互作用而激活PMF的信號通路,進而誘發(fā)陰莖分化而導致性畸變;同時,RXR的激活與軟體動物性腺的發(fā)育狀態(tài)密切相關,腹足類如果在關鍵窗口期暴露于TBT,則誘導性畸變。
圖1 有機錫致海洋腹足類性畸變的分子機制Fig.1 Molecularmechanism of organotin-induced imposex inmarine gastropods
李張偉等[60]檢測了TBT暴露下疣荔枝螺性畸變個體超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、脂質(zhì)過氧化物(lipid peroxide,LPO)及過氧化氫酶(catalase,CAT)活性與正常雌雄個體的差異,結(jié)果表明,這幾種生化指標的差異隨著性畸變嚴重程度的加深而愈加明顯,并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,其中SOD活性在正常雌性和性畸變初期階段個體中與雄性的接近,在性畸變嚴重個體中則顯著下降,而CAT活性在性畸變初期有上升趨勢,在性畸變嚴重個體中則顯著下降,這表明,腹足類體內(nèi)重要酶在有機錫污染下會出現(xiàn)明顯紊亂。隨后該作者又研究了疣荔枝螺雄性、雌性及性畸變個體在不同發(fā)育階段的總蛋白和酯酶同工酶水平,結(jié)果表明,性畸變個體體內(nèi)蛋白表達量和酯酶活性與雄螺的相近[61]。
研究表明,有機錫還具有遺傳毒性,主要表現(xiàn)為基因突變[62]、染色體畸變[63]和 DNA 損傷[64-65]等。管云雁[66]通過對疣荔枝螺和黃口荔枝螺(Thais luteostoma)核型分析,發(fā)現(xiàn)性畸變個體的染色體形態(tài)有所改變而數(shù)目沒有變化,并推測這種變化可能與性畸變現(xiàn)象有一定的相關性。同時,周小朋等[67]采用隨機擴增多態(tài)性DNA技術來研究疣荔枝螺性畸變機理,結(jié)果表明,差異性片段的出現(xiàn)與有機錫的污染具有一定的相關性,認為有機錫的存在已引起疣荔枝螺遺傳物質(zhì)DNA的變化,并且這種變化是隨機的。Hagger等[68]應用線性回歸分析揭示了性畸變和DNA損傷程度具有緊密的相關性,同時通過組織學方法檢測到狗巖螺性畸變個體輸精管和陰莖的增生性生長,表明環(huán)境暴露、遺傳響應和生殖變異之間存在著復雜的相互作用。
隨著國內(nèi)外有關腹足類性畸變的研究日漸增多和分子生物學技術的迅速發(fā)展,一些學者采用基因組學方法來進一步研究有機錫的致毒機制。Iguchi等[69]應用生態(tài)毒理基因組學方法研究脊椎及無脊椎動物不同物種如老鼠、美洲鈍吻鱷、兩棲動物、魚類、腹足類和大型蚤等個體的雌激素響應基因及其表達變化,探討了內(nèi)分泌干擾物致毒的分子機制。賈錫偉等[70]構建了雜色鮑(Haliotis diversicolor)在TBT暴露誘導下的均一化cDNA文庫,得到3 048個高質(zhì)量表達序列標簽,之后作者采用實時熒光定量PCR方法進行了相關功能基因的表達分析并得到纖維素酶、β-1,4-內(nèi)葡聚糖、鐵蛋白亞基1等幾種較好的 TBT 監(jiān)測候選基因[71]。Pascoal等[72]對 TBT暴露狗巖螺的轉(zhuǎn)錄組測序數(shù)據(jù)分析再次支持了上述3類假說所涉及的性激素、神經(jīng)多肽和RXR參與有機錫誘發(fā)腹足類性畸變過程,同時通過PPARγ競爭抑制劑羅格列酮的體內(nèi)注射實驗,證實無脊椎動物包括腹足類的內(nèi)分泌干擾過程中存在著與脊椎動物共通的 PPAR 信號通路。Titley-O'Neal等[73]采用基因芯片技術比較了大不列顛維京島附近不同站位女皇鳳凰螺(Strombus gigas)的基因表達譜,發(fā)現(xiàn)了高濃度TBT暴露站位差異表達的17個基因,功能分析表明,鈣離子結(jié)合、免疫反應以及細胞分化抑制調(diào)節(jié)相關基因的表達在污染海域占據(jù)主導。
綜上所述,各種假說的相關研究表明有機錫可能通過多種途徑誘導性畸變,各假說之間在某些環(huán)節(jié)上可能存在交叉互作或者互補作用,進而形成Cross-talking,構建成復雜的信號傳導網(wǎng)絡,并且需要多個功能基因的參與。德國學者Stange等[74]提出狗巖螺性畸變涉及RXR和睪酮兩種信號通路的參與,但目前似乎還沒有在3種假說中建立某種聯(lián)系(圖1)。傳統(tǒng)的單個或幾個基因或蛋白的研究已經(jīng)不可能闡明復雜的性畸變機制,而日益發(fā)展的高通量研究技術可以從全基因組尺度考察一個生理學過程,這為研究有機錫致海洋腹足類性畸變的分子機制和腹足類的防御應激機制提供了一條有效的途徑。此外,眾多的RXR參與海洋腹足類性畸變過程的證據(jù)表明,RXR在軟體動物性別決定及性別分化過程中具有重要作用。相關的性畸變機制研究,揭示了軟體動物性別決定及性別分化機制的特殊性,對該領域的進一步研究有可能突破人們對傳統(tǒng)生殖系統(tǒng)發(fā)育理論的認識。
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