袁　沛，童杰文，潘聯云，龔雨順

(湖南農業(yè)大學園藝園林學院，湖南 長沙 410128)

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秀麗隱桿線蟲調節(jié)滲透平衡機制的研究進展

袁沛，童杰文，潘聯云，龔雨順

(湖南農業(yè)大學園藝園林學院，湖南 長沙 410128)

摘要：維持生物體內滲透壓平衡對生物生長發(fā)育十分重要。秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)被廣泛用于研究生物在不利環(huán)境的抗性機制；同時，由于其進化的保守性，可為研究高等生物的體內滲透壓調節(jié)提供參考。對秀麗隱桿線蟲感知體外滲透壓的相關基因和組織進行了介紹，分析了秀麗隱桿線蟲調節(jié)體積的相關通路，綜述了維持蛋白質穩(wěn)態(tài)對滲透壓的調節(jié)作用。

關鍵詞：秀麗隱桿線蟲；滲透平衡；TRP通路；WNK/GCK-Ⅶ信號通路；蛋白質穩(wěn)態(tài)

保持生物體內鹽分和水分的平衡是生物生長發(fā)育的基本要求[1]。研究表明，啤酒酵母的單個真核細胞檢測和滲透壓信號轉導要通過許多高度復雜的結構和途徑，這些途徑串擾一起調節(jié)體內滲透壓。關于脊椎動物細胞調節(jié)體積變化機制雖然有諸多發(fā)現，但其感知滲透壓變化的分子機制還不清楚[2]，檢測和轉導滲透壓信號及細胞間相互聯系方式更加復雜[3]。

作為無脊椎動物的模式生物，秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)用于研究動物調節(jié)體內滲透壓的相關機制(包括確定參與調節(jié)滲透壓相關基因)有許多顯著優(yōu)勢：容易培養(yǎng)，成年秀麗隱桿線蟲可以產約300個卵；容易觀察，秀麗隱桿線蟲身體透明，用高倍顯微鏡可以觀察到單一細胞分辨率大?。恍沱愲[桿線蟲進化保守，為研究其它高等動物調節(jié)滲透壓的機制提供借鑒；易操作，實驗室條件下容易控制細胞內滲透壓的高低[4]；棲息在表層土壤中，能夠感知和避免土壤環(huán)境中腐爛有機物質周期性變化導致的高滲透壓環(huán)境。作者在此就秀麗隱桿線蟲如何調節(jié)體內滲透壓來適應環(huán)境的相關機制進行概述。

1調節(jié)滲透壓的相關組織

皮下組織和腸道對秀麗隱桿線蟲調節(jié)體內滲透壓相當重要。皮下組織是由膠原蛋白組成的較厚的膠質層[5]，其中的成纖維細胞生長因子調節(jié)秀麗隱桿線蟲體液平衡[6]。成年秀麗隱桿線蟲腸道由上皮細胞構成，具有消化、吸收、儲存能量和解毒等功能。在高滲透壓環(huán)境下，腸道可合成有機滲透調節(jié)物質[7]。

秀麗隱桿線蟲具有類似人體“腎”功能的簡單組織，由排泄細胞、導管細胞和孔細胞構成。如果破壞這些細胞，秀麗隱桿線蟲體內滲透壓就會改變，最終導致秀麗隱桿線蟲死亡[8]。排泄細胞是復雜的“H”形上皮細胞，構成體內2條平行運輸管道，排泄細胞表達在調控滲透壓的相關組織中，如Cl-通道、Na+/H+交換器和水通道蛋白等[9]。導管細胞和孔細胞表達在秀麗隱桿線蟲咽喉根部附近的角質層處，排泄細胞通過它們與外部環(huán)境連接[10]。當秀麗隱桿線蟲在高滲透壓和低滲透壓間轉換時，其排泄管會擴展[11]。水通量和離子運輸在調節(jié)排泄系統(tǒng)中起重要作用[12]。

2滲透回避行為及相關通路

自然環(huán)境條件下鹽分和水分含量變化極大。秀麗隱桿線蟲易被低濃度鹽、糖和其它化學物質吸引，但在感知到高滲透壓時會立即改變爬行方向，這個行為被稱為“滲透回避”[12]。這種回避行為與溶質濃度的高低相關，而與溶質的種類沒有關系[13]。秀麗隱桿線蟲頭部角質層處有一對頭感器，里面充滿感知神經元樹突的纖毛末梢，對感測熱感應、化學感應和機械感應等外部環(huán)境有重要作用[14]。

滲透回避行為需要ASH神經元[15]。在滲透回避行為方面有缺陷的秀麗隱桿線蟲被稱為滲透避免缺陷(osmoticavoidancedefective，OSM)突變體[3]。OSM突變體可以分為3類，一類是頭感器感受神經元發(fā)育不完全，如OSM-3(mt3631)突變體；一類是體內有大量有機溶質的積累，如OSM-7(mt3564)、OSM-8(mt371)和OSM-11(mt3643)突變體；還有一類直接參與滲透感知和信號轉導神經元發(fā)育，如OSM-9(cx10)、OSM-10(mt241)和OCR-2(cx4544)突變體[16]。

在哺乳動物中，瞬時感受器電位(transientreceptorpotential，TRP)通路上的跨膜蛋白參與感知體外滲透壓、信號轉導、上皮離子運輸和Ca2+信號等生理過程。TRP通路根據氨基酸序列同源性被分為TRPC、TRPV、TRPM、TRPML、TRPP、TRPN和TRPA等7個亞家族[17]。OSM-9和OCR-2屬于瞬時感受器電位離子通道香草素受體亞家族(transientreceptorpotential-vanilloid，TRPV)通路，在頭感器感受神經元中編碼蛋白發(fā)送信號[18]。TRPV-4在哺乳動物中樞神經系統(tǒng)器官中表達，在檢測血漿滲透壓和調控滲透壓激素中起重要作用[19]。雖然TRPV-4與OSM-9都參與調節(jié)滲透壓，但是它們只有26%氨基酸同一性，它們感知高滲透壓的作用機制還不清楚[20]。同時，OCR-2、OSM-9、ODR-3、TRPV-4與OSM-10都表達在頭感器神經元中，在滲透回避行為中起重要作用[21]。其中ODR-3編碼Ga蛋白質，作用于ASH神經元，OSM-10編碼一種檢測高滲透壓必不可少的新胞質蛋白[22]，它們可能參與OSM-9和OCR-2感知滲透壓機制，但OSM-9、OCR-2、ODR-3、TRPV-4和OSM-10共同調控滲透回避行為的機制目前還不清楚[23]。

3調節(jié)體積的相關通路

秀麗隱桿線蟲能調節(jié)自身體積大小來適應不同的滲透壓環(huán)境。秀麗隱桿線蟲外表皮的角質層能有效抵抗許多毒素和藥理化合物，但不能阻擋水的擴散[24]。Lamitina等[24]通過RNA干擾實驗篩選出與角質層形成相關的DPY基因，如DPY-7、DPY-8、DPY-9與DPY-10等。DPY基因突變會導致秀麗隱桿線蟲角質層結構變化從而造成矮胖的秀麗隱桿線蟲表型，DPY基因表達強弱會影響體內甘油的積累和甘油三磷酸脫氫酶(glycerol-3-phosphate dehydrogenase-1，GPDH-1)的表達[25]。

成年秀麗隱桿線蟲體內滲透壓比體外滲透壓稍高，當改變體外滲透壓時體內滲透壓需相應改變，使內外膨脹壓力保持平衡[26]。正常實驗室條件下，秀麗隱桿線蟲培養(yǎng)在51 mmol·L-1NaCl瓊脂培養(yǎng)皿上。將秀麗隱桿線蟲從500 mmol·L-1NaCl瓊脂培養(yǎng)皿上快速轉到51 mmol·L-1NaCl瓊脂培養(yǎng)皿上時，會導致秀麗隱桿線蟲體積膨脹和暫時性癱瘓，部分秀麗隱桿線蟲的腸和性腺會從外陰處突出來，10～15 min后秀麗隱桿線蟲調節(jié)自身體積并慢慢恢復運動。研究表明，水通道蛋白和排泄系統(tǒng)在收縮秀麗隱桿線蟲體積方面發(fā)揮重要作用，但恢復秀麗隱桿線蟲體積的機制有待進一步研究[27]。將秀麗隱桿線蟲從51 mmol·L-1NaCl瓊脂培養(yǎng)皿轉到500 mmol·L-1NaCl瓊脂培養(yǎng)皿時，20～30 min后秀麗隱桿線蟲體積會收縮50%，幾乎喪失運動能力；轉到51 mmol·L-1NaCl瓊脂培養(yǎng)皿上24 h后，秀麗隱桿線蟲體積和運動能力慢慢恢復，但是秀麗隱桿線蟲生長發(fā)育較慢，產卵數量減少且爬行能力下降[11]。

哺乳動物細胞中存在一個由無賴氨酸蛋白激酶(with no lysine，WNK)和生發(fā)中心蛋白激酶(germinal center kinase,subfamily seven，GCK-Ⅶ)構成的信號級聯來調節(jié)離子運輸過程。秀麗隱桿線蟲中也有此激酶途徑[28]。沉默秀麗隱桿線蟲中WNK(WNK-1)和GCK-Ⅶ(GCK-3)基因會讓秀麗隱桿線蟲在高滲透壓環(huán)境下體積恢復能力和存活率下降[29]。Choe等[2]研究發(fā)現，GCK-3表達于皮下組織和腸道中來調節(jié)秀麗隱桿線蟲體積恢復，于是提出WNK-1和GCK-3協同管理秀麗隱桿線蟲滲透壓機制的模型。但目前只知道GCK-3直接磷酸化底物CLH-3，它是被GCK-3調控抑制的體積敏感Cl-通道，目前還不知道CLH-3是否作用于秀麗隱桿線蟲的體積恢復[30]。最近研究還發(fā)現，GCK-3參與秀麗隱桿線蟲上皮管道和精子形成等多個生理過程[31]。

4維持體內蛋白質穩(wěn)態(tài)及相關通路

維持蛋白質穩(wěn)態(tài)能保持生物各項生理活動的正常進行，提高生物抵抗各種不利環(huán)境的能力。高濃度無機離子會破壞蛋白質二級結構，降低酶活性[32]。此外，大分子之間相互擁擠會導致外來蛋白質的相互作用，從而促進蛋白質間聚合而破壞蛋白質穩(wěn)態(tài)[33]。在高滲透壓環(huán)境下，秀麗隱桿線蟲am140突變體的體內細胞會收縮，從而促進谷氨酰胺蛋白Q35::YFP的聚集，蛋白質從10 min開始聚集且聚集是不可逆的[34]。研究表明，哺乳動物體內細胞收縮也會誘導多聚谷氨酰胺蛋白的聚合[35]。

甘油是具有平衡滲透壓和穩(wěn)定蛋白質結構功能的有機滲透質。在高滲透壓環(huán)境下秀麗隱桿線蟲會合成較多的甘油[20，36]。GPDH-1基因能催化甘油的合成，秀麗隱桿線蟲在非致死高滲透壓環(huán)境下1 h后GPDH-1基因會顯著上調表達[37]。只有滲透應激能誘導GPDH-1基因上調表達，而熱應激、氧化應激等不會誘導GPDH-1基因上調表達[38]。目前秀麗隱桿線蟲體內調節(jié)有機滲透質積累的相關信號通路還不清楚，Kamath等[39]進行了全基因組RNA干擾篩選出122個調節(jié)GPDH表達的基因。GPDH基因在細胞外基質、信號、代謝、蛋白質運輸、調控轉錄與維持蛋白質穩(wěn)態(tài)方面起重要作用，其中最大一類的GPDH基因有54個與維持蛋白質穩(wěn)態(tài)相關的基因[39]。

研究發(fā)現，將秀麗隱桿線蟲在200 mmol·L-1NaCl瓊脂培養(yǎng)皿培養(yǎng)24 h后再轉到500 mmol·L-1NaCl瓊脂培養(yǎng)皿上，能提高秀麗隱桿線蟲在500 mmol·L-1NaCl瓊脂培養(yǎng)皿上的存活率[40]。此過程可能增加了甘油積累，使得秀麗隱桿線蟲內部滲透壓提高從而維持蛋白質穩(wěn)態(tài)。也有人認為可通過減少蛋白質聚集和新蛋白質合成來維持蛋白質穩(wěn)態(tài)[41]。Lee等[42]在研究調節(jié)蛋白質合成機制和維持蛋白質穩(wěn)態(tài)相關基因表達的信號通路時發(fā)現，在酵母和哺乳動物細胞中GCN-2(general control nonderepressible)基因通過真核翻譯起始因子(eukaryotic translation initiation factors，eIFs)磷酸化來調節(jié)RNA翻譯，從而提高它們抵抗?jié)B透應激的能力。此外，沉默GPDH-1基因能減少同源基因GCN-2的表達，GCN-2是蛋白質合成中不可缺少的[43]。WNK-1和GCK-3可以誘導GPDH-1上調表達，這表明WNK/GCK-Ⅶ級聯可激活調控蛋白質合成和滲透壓調節(jié)相關基因的表達[44]。但是目前只在秀麗隱桿線蟲體內發(fā)現WNK/GCK-Ⅶ級聯與蛋白質合成有關，未來還需要進一步研究WNK/GCK-Ⅶ級聯，來確定其是否在其它動物中也有同樣的功能。

5展望

秀麗隱桿線蟲已被廣泛應用于遺傳學、發(fā)育和進化生物學、復雜的疾病研究等諸多領域。秀麗隱桿線蟲生活在滲透壓不穩(wěn)定的土壤環(huán)境，非常適合研究滲透感應相關的信號轉導機制。目前，對秀麗隱桿線蟲體內調節(jié)滲透壓的生理過程(圖1)如TRP通道、有機滲透質積累、WNK/GCK-Ⅶ信號通路等有所了解，但如何發(fā)現更多調節(jié)滲透壓的相關機制、如何將這些通路與其它動物相關聯還需進一步研究。相信，通過對秀麗隱桿線蟲的深入研究，會對其它動物如何抵抗?jié)B透應激提供新的認識和發(fā)現。

圖1　秀麗隱桿線蟲調控滲透壓的生理過程

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Research Progress on Osmotic Balance Regulation Mechanism ofCaenorhabditisElegans

YUAN Pei,TONG Jie-wen,PAN Lian-yun,GONG Yu-shun

(CollegeofHorticultureandLandscape,HunanAgricultureUniversity,Changsha410128,China)

Abstract：It is very important for the growth and development of organism to maintain osmotic pressure balance in vivo.Caenorhabditis elegans is widely used for the research of resistance mechanism under adverse environmental conditions.In the meantime,the conservation of its evolution provides reference for the study of osmotic pressure regulation in vivo of higher organisms.In this paper,the relative genes and tissues of osmotic pressure regulation in vitro in Caenorhabditis elegans are introduced,the relative pathways of volumn regulation in Caenorhabditis elegans are analyzed,and the effects of maintain protein homeostasis on osmotic pressure regulation are reviewed.

Keywords：Caenorhabditis elegans;osmotic balance;TRP channel;WNK/GCK-Ⅶ signal channel;protein homeostasis

中圖分類號：Q 945.78

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5425(2016)04-0004-05

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.04.002

作者簡介：袁沛(1991-)，男，湖南岳陽人，碩士研究生，研究方向：功能產品開發(fā)與評價，E-mail：774121303@qq.com；通訊作者：龔雨順，教授，E-mail：109987632@qq.com。

收稿日期：2015-12-17