甲壳动物蜕皮的调节机制研究进展

  姚俊杰，赵云龙  

( 贵州大学动物科学学院，贵州贵阳 550025 ；华东师范大学生命科学学院，上海 200062) 

摘要：综述了甲壳动物蜕皮现象调节机制的研究进展，包括 Y —器官、 x —器官及其窦腺复合体、蜕皮激   素、蜕皮抑制激素及其起始表达和作用机理。

  关键词：甲壳动物；蜕皮激素；调节机制   中图分类号： S966 ． 1 文献标识码： A 文章编号： 1003 — 1278(2006)06 — 0008 — 03 

在甲壳动物个体发育过程中，存在蜕皮现象，即蜕去   旧的外骨骼并长出新的外骨骼的过程。蜕皮是甲壳动物   生长和发育的标志特征，它贯穿甲壳动物个体发育的始   终，它受神经系统和内分泌系统共同调节。这个调节过   程表现为两种互为拮抗的激素作用。蜕皮激素的刺激作   用和 MIH 的抑制作用。 Y —器官分泌蜕皮激素 ( 蜕皮甾   类 ) 直接导致蜕皮现象的发生。眼柄内 X —器官窦腺复   合体分泌蜕皮抑制激素 (Molt — inhibiting hormone ， MIH)  调节 Y —器官蜕皮激素的分泌。自 20 世纪 80 年代以   来，学者们对甲壳动物蜕皮现象及其生理机制进行了较   多的研究，获得了许多重要认识。研究了虾蟹 Y —器官、   眼柄中的 x —器官窦腺的形态结构和分泌功能”；研究   了胚胎期复眼及眼柄的形态发生过程。自 1991 年 Web —  ster 和 Dircksen 对普通滨蟹 (Carcvinus maenas) 的 MIH 前   激素原序列进行测定以来”，优游蟹 (Callinectes sapi ，  dus) 、黄道蟹 (Cancer mgister) 、刀额新对虾 (Metapennaeus ensis) 、斑节对虾 (Penaeus monodon) 、罗氏沼虾 (Macrobra —  chium rosenbergii) 和中国对虾 (Fennropenaeus chinensis) 等   一些虾、蟹的 MIH 序列先后被测定； Lee 等从 mRNA 水   平上证实了 Mill 的生理功能，在调节机理上，阐明了在甲   壳动物蜕皮周期中，分泌到血淋巴的 MIH 通过调节 Y 器   官蜕皮酮的合成间接控制蜕皮现象发生。

  但要具体弄清楚蜕皮现象的调节机制，仍有许多工   作需进一步深入探究。目前虾蟹类养殖中，普遍出现性   早熟现象，其中一个主要的原因是由于早期幼体性腺发   育过快，蜕皮次数过频。通过认识蜕皮现象的调节机制，   对虾、蟹早期幼体的蜕皮进行人工控制，抑制性早熟的现   象，提高经济虾蟹的生产效率。本文对甲壳动物蜕皮现   象及其调节机制的研究进行了回顾，并对今后的相关研   究进行了讨论。  1 Y —器官及 X —器官窦腺复合体结构对甲壳动物 Y —器官的研究主要集中在虾和蟹中，早   在 1997 年， Bourguet 等对日本对虾 (Pena~usjaponicus) 的  Y —器官进行了分离和观察。 Y —器官在甲壳动物中位于   鳃室前端，在蟹中呈现为较为致密的一团，而在螯虾或龙   虾中则显得相对疏松。 Y —器官是甲壳动物的蜕皮腺，其   主要作用是分泌蜕皮激素，控制蜕皮。在蜕皮周期的不   同阶段 ( 蜕皮间期、蜕皮前期和蜕皮后期 ) ， Y —器官细   胞超微结构呈现周期性变化。

  在甲壳动物中，眼柄视神经节 x —器官窦腺复合体  (X — organ sinus gland ， XO — SG) 是内分泌调控中心，分泌   甲壳动物高血糖激素 (crustacean hyperglycemic hormone ，  CHH) 、蜕皮抑制激素 (molt — inhibiting hormone ， MIH) 、   性腺发育抑制激素 (gonad — inhibitinghormone ， GIH) 和大   颚器官抑制激素 (mandibular organ — inhibiting hormone ，  MOIH) 等多种神经肽类激素，参与调节甲壳动物的生殖、   发育和蜕皮等重要生理过程。

  对眼柄视神经节 X —器官窦腺复合体的形态学结构   有较多的研究。这些研究表明，由 X —器官神经元末梢分   泌的激素运送至窦腺储存，然后由窦腺释放而作用于受   体靶器官—— Y —器官。视神经节自上而下由外髓 (Me —  dullaExtema ， ME) 、内髓 (Medullainterna ， M1) 和端髓 (Me —  duUaTerminilia ， MT)3 部分组成。其内分布有神经内分泌   细胞和由神经内分泌细胞轴突末梢聚集形成的窦腺。神   经内分泌细胞多以集群方式出现，窦腺是储存和排出激   素的场所。根据窦腺中神经分泌颗粒直径、着色深浅以   及形状等特点，将其分成 6 种类型。 x —器官位于眼柄   神经节终髓的腹外侧，与窦腺位置斜相对。窦腺主要由   神经分泌细胞的末梢和胶质细胞组成。神经末梢含有大   量的膜结构包围的颗粒、线粒体、粗面内质网和许多电子   透明的小泡。通过免疫化学的方法， Shih 等在日本   对虾 (Penaeus japonicus)MTXO 中定位了神经内分泌细   胞 ) 。  

2 蜕皮激素   在 Y —器官窦腺复合体中分泌蜕皮激素的前体—蜕   皮甾酮 (Ecdysone) ，它被运输到血淋巴后，在 20 —羟蜕皮   甾酮酶的作用下形成具有活性的蜕皮激素，即 20 —羟蜕   皮甾酮 (20 — OH — ecdysone) 。当其积累到一定量时即引   起蜕皮现象的发生。甲壳动物的 20 —羟蜕皮甾酮具有明   显的极性，有 6 个羟基和 1 个酮基，它在体内能自由运输，   仅通过自由扩散就能进入细胞。此外， Spindler 等发现   在甲壳动物螯虾及蟹中，蜕皮激素进入细胞的过程有依   靠能量的主动运输和依靠载体的伴随运送情况，在 Metap —   enaeus ensis 中已发现 DNA 受体结合位点。

  在 Palaemon serratus 受精卵中，蜕皮甾类含量处于较   低水平，在接近孵化时期含量升高，在罗氏沼虾 (Mac —   robrachium rosenbergii) 也发现类似的情况，罗氏沼虾胚   胎在受精卵期，蜕皮甾类含量在胚胎发育初期较低，以后   逐渐升高，到接近孵化时，蜕皮甾类含量升高较快，到达胚胎发育时期的最高点。

  在甲壳动物中，蜕皮激素的含量在蜕皮期中呈周期   性的变化，其含量增至最高值时，引起蜕皮。在对凡纳对   虾 (Litupenaeus vannamei) 蜕皮周期中蜕皮甾类的测定显   示，其主要成分是 20 —羟蜕皮甾酮、蜕皮甾酮和 3 —脱氢   蜕皮甾酮。 3 —脱氢蜕皮甾酮是主要分泌产物，在蜕皮中   起重要作用。把虾 (Alpheus heterochaelis) 放人含有微量  20 —羟蜕皮甾酮的水体中培养 5d ，在冬天的情况下，其蜕   皮周期缩短 18d ，即缩短其蜕皮周期的 65 ％。

•  蜕皮抑制激素   蜕皮抑制激素 (Molt — inhibiting hormone ， MTH) 属于   甲壳动物高血糖激素 (Crustacean hyperglycemic hormone ，  CHH) 家族神经肽。 CHH 家族神经肽由甲壳动物的眼柄  x —器官窦腺复合体合成和分泌，具有调节甲壳动物的血   糖以及调控生殖、生长和发育等重要生理过程的功能。   除了 MIH 外， CHH 家族神经肽还包括高血糖激素 (Cms —  tacean hyperglycemic hormone ， CHH) 、性腺抑制激素 (Co ·  nad — inhibiting hormone ， GIH) 和大颚器官抑制激素 (Man —  dibular organ — inhibiting hormone ， MOIH) 。这些神经肽的   成熟肽通常由 72-78 个氨基酸残基组成，它们的共同特   征是具有 6 个位置保守的 Cys 残基，从而形成 3 个链内二   硫键。 MIH 的主要功能是通过抑制 Y —器官蜕皮激素的   合成而对甲壳动物的生长起关键性的调节作用。  

人们发现，在人工摘除虾蟹眼柄后，虾蟹的蜕皮周期   会缩短，当注入眼柄内含物后，蜕皮周期得到恢复，这一   现象说明眼柄中含有抑制蜕皮的物质，这种物质被称做   蜕皮抑制激素 (Molt — inhibiting hormone ， MIH) 。同样，切   除眼柄后导致了蜕皮甾类含量的增加。究其原因，人们   得知在眼柄 X —器髓质末端 (Medulla Terminalis X — or gan ， MTXO) 存在窦腺 (Sinus Gland ， SG) 含有神经内分泌   系统的神经元，在这球形轴突末端的神经元分泌包括蜕   皮抑制激素在内的多肽激素。 Aguilar 等”…从墨西哥螯   虾 (Procambarus bouvier) 窦腺复合体中分离出蜕皮抑制激   素，并将之与 Homarus amedcanus 、 Carcinus maenas 、 Calli —  nectes sapidus 和凡纳对虾 (Litupenaeus vannamei) 相比较，   蜕皮抑制激素的氨基酸残基数在 72-78 之间，分子大小   为 8 ～ 9 kDa 。  

1994 年 Sun 首次在凡纳对虾中克隆出类似 MIH  的神经肽，杨卫军等从日本对虾 (Penaeusjaponicas) 窦   腺中分离 MIH 并进行了测序，他们把这一具有活性的多   肽称做 Pej — SGP —Ⅳ，它能抑制离体培养的螯虾 (Pro —  cambams clarkii) 蜕皮甾体的合成。同时具有 MIH 和 CHH  活力的多肽在凡纳对虾窦腺中得到分离。

  1998 年 Gu 和 Chan 在 M ． ensis 眼柄中克隆了一段   被公认的 MIH cDNA ，它有 77 个氨基酸残基，前面是 28  个氨基酸残基的信号肽，其序列与 Pej — MIH 相似。这段   克隆在蜕皮前期、蜕皮间期和蜕皮后期于眼柄及脑中均   有表达。在蜕皮间期血淋巴中高水平的 MIH 抑制 Y —器官蜕皮激素的合成和释放，只有当 MIH 的分泌量减少或   停止时蜕皮现象才会发生。中国对虾 (Fennropenaeus  chinends) 、中华绒螯蟹 (Eriocheir stnellJis) 和锯缘青蟹   (Scylla serrata) 蜕皮抑制激素 MIH 的 cDNA 克隆及序列   分析相继进行，对它们 MIH 基因在不同组织的表达也进   行了检测。   CHH 家族神经肽的共同特征是含有 6 个位置保守的   Cys 残基，形成 3 个链内二硫键。根据成熟肽及其前体的   一级结构特征， CHH 家族神经肽可分为 CHH 和 VIH(Vi —   tellogenin inhibiting hormone)2 个组，其中 VIH 组又可分   为 RIH(Re — production inhibiting hormone) 和 MIH 2 个亚   组。 CHH 组的前体由信号肽、前体相关肽 (CHHpre —   cursor — related peptide ， CPRP) 和成熟肽组成，该组共有的  3 个二硫键的位置为 C 72C 43 、 C 232C 39 、 C 262C 52 ； VIH 组仅由信号肽和成熟肽组成，缺少 CPRP ，该组共有的 3 个   二硫键的位置为 C 72C 44 、 C 242C 40 、 C 272C 53 。

  4 蜕皮抑制激素的起始表达及作用机理   对甲壳动物胚胎期的 MIH 基因的起始表达进行了研究。刀额新对虾 (Metapenaeus ensis) 的胚胎发育期没有   MIH 基因的表达，但蟹 (Charybdis ／ ertatus) 的受精卵和孵化前的胚胎中 MIH 基因有较弱的表达，采用 Noah —   ern 印迹分析中华绒螯蟹胚胎发育各时期 MIH 基因的表达，结果显示，在原肠期开始出现 MIH 基因的表达。

  我们在罗氏沼虾 (Macrobrachium rosenbergii) 胚胎期的研   究显示， MIH 基因的表达最早出现在前蚤状幼体期，其表   达时期与胚胎发育中眼柄及其中的 x —器官窦腺复合体   的形态发生密切相关。 MIH 的靶器官是 Y —器官，新产生的 MIH 通过抑制已形成的 Y —器官的合成和分泌蜕皮激素，起到抑制蜕皮的作用。 MIH 通过和受体结合，激活了位于细胞膜上的腺甘酸环化酶而提高细胞内 cAMP 水平，或是激活了位于细胞膜上的鸟甘酸环化酶而升高   细胞内 cGMP 水平， cAMP( 或是 cGMP) 进而激活蜕皮激素生成途径上的一种起重要负调控作用的激酶，进而抑   制 Y —器官蜕皮酮的合成，使甲壳动物体内蜕皮激素保持   在较低水平。

  Lee 等发现：在蜕皮周期中， MIH mRNA 水平在蜕   皮前期稳定下降，达到一个最小值后，在蜕皮后期上升，   在蜕皮间期一直保持上升水平，正好与血淋巴中蜕皮激   素的水平成负相关。但 Ohira 等认为蜕皮周期中 MIH  mRNA 水平并无显著变化，并提出 MIH 的合成及分泌属   于转录后调控机制这一假设。由于这方面积累的资料较   少，有关 MIH 基因表达调控机理的研究还需进一步探索。

  5 展望   在寻找蜕皮甾类诱导基因的研究中， Chan 等从 M ． ends 中克隆了编码核受体超家族成员之一，它与昆虫   蜕皮激素诱导因子 E75 受体因子相同，表明了甲壳动物   与昆虫在分子水平的蜕皮调节机制的相似性。众所周   知，眼柄的切除既能除去 GIH ，又能除去 MIH ，但是切除眼   柄后的美洲龙虾只是卵黄发生加快，而没有发生蜕皮现   象，这表明抑制蜕皮的因素不仅仅只有眼柄中的 MIH ，在   其神经系统中可能存在其它的抑制因子。 CHH 能够在胸   神经节表达，意味着它可能具有抑制蜕皮的功能 1 ． 2 。另   外，美洲龙虾成体的 GIH 和蟹的 MIH 的氨基酸序列具有   较高的相似性，它们的前激素原具有相同的结构组织形   式，这意味着 GIH 可能具有抑制蜕皮的功能。当雌性美   洲龙虾的幼体孵化后，它才开始蜕皮，这时 CHH 和 GIH  的血淋巴水平都较低。在未成熟期具有蜕皮抑制功能的   是 GIH ，而在性腺成熟期完成这种功能的是 CHH — A 和  CHH — B 。因此，在美洲龙虾 2 年的生殖周期中，血淋巴   内 CHH 和 GIH 的协调平衡才能够使生殖活动和蜕皮现   象有规律地交替进行。

  大量的研究表明，在蜕皮现象的调控过程中， MIH 的   作用不是独立的、孤立的。甲壳动物特有的 CHH 家族神   经激素之间有着密切的联系。通过相互之间的促进与制   约来实现对蜕皮这一生理过程的调节。在目前情况下，   人们对蜕皮的基本生理过程有了一定的了解，但许多工   作仍需开展。较多的神经肽等有待完全鉴定，可以在  mRNA 水平和肽的水平研究动物个体不同生理条件下甲   壳类眼柄激素的作用，运用重组技术获得一定数量的  MIH 以及其它相关激素，在甲壳动物体内和体外进行功   能和相互关系的测定，研究其调节机制。准确理解在外   界因子的作用下，神经内分泌系统的活动对生殖和蜕皮   的调控机制，并应用于经济虾蟹的养殖生产中，如开发检   测养殖种类 MIH 的试剂盒，人工控制它们的光周期、温   度、营养等，使其生殖和蜕皮处于最佳时机，抑制性早熟   的现象，从而提高经济虾蟹的生产效率。