甲壳动物蜕皮诱导的肌肉萎缩与生长

田志环，焦传珍

( 韶关学院 英东生命科学学院，广东 韶关 512005 )

肌肉；萎缩；生长；甲壳动物

甲壳动物的不连续生长与贯穿终生的周期性蜕皮密切相关。蟹类和龙虾等外骨骼钙化程度较高，螯足和身体连接处的关节较窄，肥大的螯足在狭小的关节处蜕出比较困难，因此，蜕皮前螯足肌肉通常发生可逆性萎缩，以顺利从坚硬的外壳中蜕出，蜕皮后萎缩的肌肉再恢复重建以适应新的宽大外骨骼。这种蜕皮前的萎缩只特异地发生在螯足肌肉，而步行足和胸腹部肌肉则不发生这种现象。目前，对于蜕皮诱导的甲壳动物不同部位肌肉生长模式差异的机制尚不清楚，笔者综述了有关这一现象机理的研究现状，为研究虾、蟹肌肉生长发育的机理，提高其肌肉品质提供参考。

1 甲壳动物蜕皮过程中肌肉的生长变化

Skinner[1]在研究地蟹(Gecarcinuslateralis)时发现，蜕皮前螯足肌肉蛋白质含量约降低30%～60%。之后Sandri等[2-3]进一步研究发现，地蟹蜕皮前的螯足肌肉萎缩和脊椎动物由于疾病、去神经、废用等原因造成的肌肉萎缩具有一些相同的特征，如肌丝降解导致的肌纤维横断面减小，肌原纤维间隙增大等。但与脊椎动物肌萎缩所不同的是，地蟹螯足肌肉萎缩时优先降解细肌丝，细肌丝和粗肌丝的比例由蜕皮间期的9∶1降至蜕皮前晚期的6∶1，粗肌丝的组装密度比蜕皮间期增加了72%；而肌小节的基本结构、肌质网的膜表面密度和A-带长度及细胞核的正常形态和总DNA含量却保持不变，这说明蜕皮所诱导的甲壳动物螯足肌丝的降解是动物有序的正常肌肉萎缩功能，而非病理现象。随后，在普通滨蟹(Carcinusmaenas)[4]、天空蓝魔虾(Cheraxdestructor)[5]、招潮蟹(Ucapugnax)[6]等物种中都发现了这种现象。左右螯足不对称的雄性招潮蟹的大螯足肌肉萎缩程度远大于小螯足[7]。

令人惊异的是，尽管蜕皮前螯足肌肉萎缩，但其蛋白质合成速率却比蜕皮间期增加[7-9]。蜕皮前后步行足和腹部肌肉蛋白质合成速率增加，有助于蜕皮后肌肉的生长，如肌纤维长度增加(肌节数目增加或者原有肌节拉长)、肌原纤维(粗肌丝和细肌丝)数目增加等[8,10]。而蜕皮前萎缩的螯足肌肉蛋白质合成速率增加，目前则初步认为是肌肉组织中合成了较多的降解肌纤维的酶类，如蛋白水解酶，以便以更快的速率降解蛋白质[11]。在地蟹中发现，蜕皮前伴随着肌纤维蛋白(肌动蛋白、肌球蛋白的重链和轻链以及副肌球蛋白、原肌球蛋白等)的降解，螯足肌肉组织中Ca2+-依赖蛋白酶的活性增加超过2倍[12]。

肌纤维蛋白质水平的变化和肌纤维形态结构的变化相一致。SDS-聚丙酰胺凝胶电泳显示，蜕皮前雄性招潮蟹螯足肌肉中肌动蛋白(细肌丝的主要成分)和肌球蛋白重链(粗肌丝的主要成分)的比例约降低45%[6]，地蟹则降低了31%，且其细肌丝中的其他成分，如原肌球蛋白、肌钙蛋白-T及肌钙蛋白-I等都按比例减少[12]。但是，肌纤维的mRNA基因表达却有较大差异，尽管地蟹在蜕皮前螯足蛋白质合成速率增加了9倍，其肌球蛋白重链的mRNA水平却降低[13]，说明这种蛋白质的代谢调控发生在翻译水平。地蟹[14]、普通滨蟹[15]的螯足和步行足肌肉及凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)[16]腹部肌肉中的肌动蛋白mRNA水平在蜕皮前后均比蜕皮间期显著上升，而美洲龙螯虾(Homarusammericans)的螯足、步行足和腹部肌肉肌动蛋白的mRNA水平却在整个蜕皮周期中均保持稳定[17-18]，显示了肌动蛋白的基因表达既有转录水平的调节，又有翻译水平的调节。因此，甲壳动物肌纤维基因表达的差异，既和具体的基因有关，更与不同的物种有关。

2 甲壳动物蜕皮过程中肌肉生长的调控

2.1 激素

甲壳动物的蜕皮过程主要在蜕皮激素和蜕皮抑制激素协调作用下完成。在蜕皮间期，血淋巴中蜕皮激素(主要是20-羟基蜕皮酮)的含量处于相对低的水平，随着动物进入蜕皮前期，血淋巴20-羟基蜕皮酮含量开始升高，直到蜕皮后期才降低至基础水平[19-20]。甲壳动物蜕皮前期和直接注射20-羟基蜕皮酮后，蛋白质合成速率均增加[8-9]，说明蜕皮激素直接影响肌肉的生长和分化。然而，注射20-羟基蜕皮酮虽然能增加蛋白质的合成速率，但并不影响总RNA合成[8]。Medler等[21]研究亦发现，摘除眼柄激发的蜕皮激素含量升高，对美洲龙螯虾肌动蛋白和肌球蛋白重链基因的mRNA水平并无显著影响。所以，目前认为蜕皮激素对肌肉蛋白质合成的调控作用主要表现在翻译水平。

2.2 调节因子

虽然摘除眼柄激发蜕皮激素含量升高对肌纤维基因的mRNA水平并无显著影响，但自然蜕皮的动物，蜕皮前后肌纤维基因的mRNA水平比蜕皮间期要显著升高[27]，说明甲壳动物自然蜕皮会有一些肌肉相关的特异生长因子参与，这些生长因子直接或者间接影响肌纤维基因的表达，调节肌肉的生长发育。

2.2.1 肌肉生长抑制素

肌肉生长抑制素是目前较受关注的肌肉生长调节因子之一。脊椎动物的肌抑素是一个25 ku 的二聚体转化生长因子-β(TGF-β)家族肽，在骨骼肌中广泛表达，是脊椎动物肌肉生长的重要负调控因子。其功能和表达量的变化可调节靶基因的表达，以改变肌肉的纤维组成及肌的质量[22-24]。近来，一些无脊椎动物肌抑素的cDNA序列相继被克隆出来，如海湾扇贝(Argopectenirradians)[25]、中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)[26]、地蟹[27]、美洲龙螯虾[28]、驼背长额虾(Pandalopsisjaponica)[29]等。研究发现，肌抑素也参与甲壳动物肌肉生长的调节，但其功能尚不明确。在地蟹的螯足和美洲龙螯虾的螯足、步行足及腹部肌肉组织中都发现，蜕皮前肌抑素的转录水平显著降低，但此时蛋白质合成的速率却增加，显示肌抑素能够直接或者间接抑制蛋白质合成，其功能似乎和脊椎动物的肌肉生长抑制素一致[27-28]。但是，De Santis[30]等研究却发现，斑节对虾(Penaeusmonodon)蜕皮前期腹部肌肉组织中肌抑素的转录水平并无显著变化。注射特定序列的dsRNA使动物肌抑素基因失活后，发现动物的生长速度显著低于对照组，显示至少斑节对虾这一物种的肌抑素是肌肉生长的正调控因子，其功能和脊椎动物肌抑素截然不同。甲壳动物肌抑素的确切功能还需要更多的试验来判断。

2.2.2 分子伴侣

一些分子伴侣，如泛素和热激蛋白也参与甲壳动物蜕皮过程中肌肉的生长。泛素是一种高度保守的小蛋白(76个氨基酸)，普遍存在于真核细胞内，参与蛋白质降解、肌肉萎缩、阶段特异性发展及细胞的程序性死亡等生物过程[31-34]。泛素在哺乳动物萎缩的骨骼肌中的表达水平显著上升[35-36]。蜕皮前期，泛素mRNA在地蟹和美洲龙螯虾螯足肌肉中的水平升高[18,37-38]，这种转录水平的升高，有助于螯足肌肉蛋白质的降解，保证较大的螯足顺利蜕出。但是，蜕皮前腹部肌肉中的泛素却保持较低或者稳定的转录水平，推测此时腹部肌肉的蛋白质转化较低，以利于肌肉组织的生长[37,39]。

热激蛋白是生物体细胞在应激条件下产生的一组高度保守的蛋白质，也参与一些生理性事件，在细胞内蛋白质从头合成和定位、蛋白质的成熟和错误折叠、蛋白质的降解等过程中发挥作用[40-42]。有文献报道，甲壳动物的热激蛋白90在蜕皮过程中会发生变化，蜕皮前诱导美洲龙螯虾螯足肌肉中热激蛋白90的mRNA水平[37]，而凡纳滨对虾腹部肌肉中热激蛋白70的转录水平却显著降低[39]。推测这些热激蛋白作为分子伴侣，可能和蜕皮激素受体结合，调节蛋白质的合成。

3 小 结

一些经济脊椎动物，尤以进行医学研究的模式物种的肌肉生长发育及其分子机制研究已经取得了长足进展，但是，有关水产甲壳动物这一领域的研究还很薄弱，尤其是蜕皮与肌肉生长的联系，即蜕皮前后甲壳动物的肌肉生长是如何调控的一直缺乏研究。今后，应系统研究甲壳动物蜕皮过程中不同部位肌肉(螯足、步行足和胸部肌肉)的生长模式及调节机制，以丰富动物肌肉生长发育的理论，促进甲壳动物生产，提高甲壳动物肌肉品质。