Microsoft Word - 20-汝少国_new_.doc

Transcription

1 第 36 卷 第 1 期 渔 业 科 学 进 展 Vol.36, No 年 2 月 PROGRESS IN FISHERY SCIENCES Feb., 2015 DOI: /yykxjz 海 胆 早 期 多 巴 胺 能 神 经 系 统 的 发 育 * 及 功 能 研 究 进 展 1 汝 少 国 王 翠 翠 ( 中 国 海 洋 大 学 海 洋 生 命 学 院 青 岛 ) 摘 要 早 期 发 育 阶 段 的 海 胆 是 海 洋 生 态 毒 理 学 研 究 的 重 要 模 式 生 物 海 胆 多 巴 胺 (DA) 能 神 经 系 统 发 育 较 胆 碱 能 系 统 早, 也 比 5- 羟 色 胺 能 系 统 更 早 地 调 控 海 胆 早 期 形 态 发 生 和 游 泳 行 为, 因 此, 以 早 期 发 育 阶 段 海 胆 为 模 式 生 物, 对 DA 能 神 经 系 统 发 育 及 功 能 进 行 综 述 DA 递 质 及 其 受 体 是 DA 能 系 统 发 育 的 重 要 基 础,DA 及 其 受 体 合 成 后,DA 能 神 经 元 发 育 进 入 DA 能 神 经 元 前 体 细 胞 期, 该 时 期 DA 及 1 型 DA 受 体 (DRD 1 ) 均 以 直 径 1 2 μm 大 小 颗 粒 形 式 (DA/DRD 1 -Gs) 存 在, 且 从 旋 转 囊 胚 期 至 变 态 阶 段 在 胚 胎 和 幼 虫 表 面 均 有 表 达 ;DA/DRD 1 -Gs 聚 集 后, 四 腕 幼 虫 早 期,DA 能 细 胞 开 始 在 下 唇 神 经 节 和 后 口 腕 基 部 形 成 且 具 有 轴 突 联 系, 八 腕 幼 虫 期 其 数 量 增 至 最 大 ; 此 后,DA 能 系 统 逐 步 发 育 直 至 成 熟 海 胆 早 期 发 育 阶 段 形 态 发 生 受 多 种 递 质 系 统 共 同 调 控, 而 游 泳 行 为 则 在 不 同 时 期 由 DA 能 神 经 系 统 单 独 或 联 合 其 他 系 统 共 同 调 控 最 后, 展 望 海 胆 DA 能 系 统 发 育 影 响 因 子 DA 受 体 发 育 调 控 功 能 及 其 功 能 通 路 海 胆 早 期 三 大 递 质 系 统 在 形 态 发 生 和 游 泳 行 为 调 控 过 程 中 的 主 次 关 系 及 其 上 / 下 调 机 制 神 经 毒 物 对 DA 能 系 统 发 育 影 响 等 领 域 的 研 究 前 景 关 键 词 海 胆 ; 早 期 发 育 阶 段 ; 多 巴 胺 能 神 经 系 统 中 图 分 类 号 Q426 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 (2015) 年, 美 国 环 境 保 护 局 (EPA) 将 海 胆 胚 胎 毒 性 试 验 方 法 列 为 标 准 的 生 态 毒 理 学 试 验 方 法 (US EPA 600R95136) 海 胆 与 脊 索 动 物 亲 缘 关 系 较 近 (Burke et al, 2006; Sodergren et al, 2006), 其 神 经 递 质 系 统 和 信 号 传 导 途 径 与 脊 椎 动 物 类 似 (Morale et al, 1998; Angelini et al, 2005; Buznikov et al, 2007); 海 胆 对 污 染 物 敏 感, 尤 其 早 期 发 育 阶 段 对 有 机 污 染 物 更 敏 感 (Graillet et al, 1993); 而 且 海 胆 具 有 生 命 力 强 适 应 性 广 易 饲 养 繁 殖 周 期 短 产 卵 量 大 胚 胎 或 幼 虫 通 体 透 明 研 究 较 透 彻 等 优 势, 近 年 来 海 胆 已 日 益 成 为 海 洋 生 态 毒 理 学 研 究 的 重 要 模 式 生 物 (Berdyshev et al, 1995; Semenova et al, 2006; Falugi et al, 2008) 其 中, 较 多 研 究 通 过 观 察 毒 物 对 海 胆 胚 胎 和 幼 虫 发 育 的 影 响, 来 探 讨 毒 物 作 用 机 制 及 靶 标 (Pagano et al, 2002; Pesando et al, 2003; Aluigi et al, 2008) 作 为 海 胆 胚 胎 发 育 调 控 信 号 (Buznikov et al, 2007), 神 经 递 质 及 相 应 系 统 的 发 育 研 究 (Katow et al, ), 特 别 是 神 经 毒 物 对 递 质 系 统 发 育 影 响 相 关 研 究 逐 渐 增 多 (Buznikov et al, 2001a b; Yao et al, 2010; 许 磊, ) ) 此 外, 受 递 质 系 统 调 控 的 海 胆 早 期 发 育 阶 段 游 泳 行 为 相 关 研 究 也 不 断 受 到 关 注 (Yaguchi et al, 2003), 调 控 游 泳 行 为 的 纤 毛 结 构 及 其 作 用 机 理 等 基 础 研 究 也 逐 步 展 开 (Wada et al, 1997; Doran et al, 2004) * 高 等 学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 资 助 课 题 ( ) 资 助 1 通 讯 作 者 : 汝 少 国, 教 授, rusg@ouc.edu.cn 收 稿 日 期 : , 收 修 改 稿 日 期 : ) 许 磊. 久 效 磷 农 药 扰 乱 马 粪 海 胆 (Hemicentrotus pulcherrimus) 5- 羟 色 胺 能 神 经 系 统 发 育 的 机 制 研 究. 中 国 海 洋 大 学 硕 士 学 位 论 文, 2012, 1 67

2 第 1 期 汝 少 国 等 : 海 胆 早 期 多 巴 胺 能 神 经 系 统 的 发 育 及 功 能 研 究 进 展 133 海 胆 早 期 发 育 阶 段 形 态 发 生 受 多 种 递 质 系 统 共 同 调 控, 而 游 泳 行 为 则 在 不 同 时 期 由 DA 能 神 经 系 统 单 独 或 联 合 其 他 系 统 共 同 调 控 海 胆 递 质 系 统 中 研 究 较 多 且 重 要 的 主 要 有 胆 碱 能 系 统 (Cholinergic System) 5- 羟 色 胺 (5-Hydroxytryptamine, 5-HT) 能 系 统 和 多 巴 胺 (Dopamine, DA) 能 神 经 系 统 三 大 关 键 递 质 系 统, 其 中,DA 能 系 统 发 育 较 胆 碱 能 系 统 早 (Falugi et al, 2002; Katow et al, 2010), 而 且, 在 最 早 发 育 成 熟 的 递 质 系 统 5-HT 能 系 统 发 育 前,DA 递 质 及 其 受 体 就 已 开 始 表 达, 并 对 海 胆 早 期 形 态 发 生 和 游 泳 行 为 具 有 重 要 调 控 作 用 (Buznikov et al, 2001b 2007; Katow et al, 2010) 因 此, 本 文 以 早 期 发 育 阶 段 海 胆 为 模 式 生 物, 对 DA 能 神 经 系 统 的 发 育 及 其 功 能 进 行 综 述 1 海 胆 早 期 多 巴 胺 能 神 经 系 统 的 发 育 Bisgrove 等 (1987) 研 究 发 现, 海 胆 DA 能 神 经 系 统 包 括 口 部 下 唇 神 经 节 和 一 对 后 口 腕 基 底 神 经 节 通 常,DA 能 神 经 元 发 育 大 致 经 历 4 个 阶 段, 即 前 体 细 胞 期 DA 能 神 经 元 前 体 细 胞 期 DA 能 神 经 元 早 期 DA 能 神 经 元 成 熟 期 前 体 细 胞 是 一 类 只 能 向 特 定 终 末 分 化 细 胞 分 化 比 祖 细 胞 的 增 殖 能 力 更 有 限 的 成 体 细 胞 前 体 细 胞 期,DA 递 质 及 其 受 体 等 DA 能 神 经 系 统 中 发 挥 作 用 的 主 成 分 均 尚 未 合 成 DA 递 质 和 多 巴 胺 受 体 (Dopamine receptor, DR) 是 DA 能 系 统 发 育 的 基 础 1.1 多 巴 胺 递 质 代 谢 过 程 及 多 巴 胺 受 体 DA 递 质 代 谢 主 要 包 括 DA 的 合 成 转 运 和 降 解 3 个 重 要 过 程 ( 图 1), 代 谢 所 需 合 成 酶 转 运 体 及 降 解 酶 对 DA 代 谢 过 程 至 关 重 要 合 成 储 存 与 释 放 DA 属 于 非 肽 类 小 分 子 神 经 递 质, 在 轴 突 末 梢 合 成 并 贮 存 于 突 触 囊 泡 中, 当 神 经 冲 动 到 来 时, 突 触 囊 泡 即 与 突 触 前 膜 融 合 释 放 DA 递 质 至 突 触 间 隙 DA 合 成 原 料 为 来 自 于 血 液 中 的 酪 氨 酸 (Tyrosine, Tyr),Tyr 首 先 在 酪 氨 酸 羟 化 酶 (Tyrosine hydroxylase, TH) 作 用 下 合 成 左 旋 多 巴 (L-DOPA), 再 经 多 巴 脱 羧 酶 (Dopa Decarboxylase, DDC) 催 化 合 成 DA(Rang et al, 2010), 这 两 步 反 应 均 在 胞 浆 中 进 行,TH 含 量 少 活 性 低, 为 DA 合 成 限 速 酶 DA 合 成 后 即 被 囊 泡 单 胺 转 运 体 (Vesicular Monoamine Transporter, VMAT) 快 速 摄 入 囊 泡 中 储 存 当 囊 泡 中 含 有 多 巴 胺 β 羟 化 酶 (Dopamine β-hydroxylas, DβH) 时,DA 则 会 被 进 一 步 催 化 合 成 去 甲 肾 上 腺 素 (Norepinephxin, NE) 储 存 于 囊 泡 中,NE 还 可 Fig.1 图 1 突 触 部 位 DA 递 质 代 谢 DA neurotransmitter metabolism in synapsis 线 粒 体 : Mitochondria; 突 触 囊 泡 : Synaptic Veslcles; 突 触 前 膜 : Presynaptic membrane; 突 触 间 隙 : Synaptic cleft; 突 触 后 膜 : Postsynaptic membrane; DA: Dopamine 以 在 苯 乙 醇 胺 -N- 甲 基 转 移 酶 (Phenylethanolamin N-Methyl Transferase, PNMT) 作 用 下 生 成 肾 上 腺 素 (Epinephrine, E), 所 以 DA 为 NE 和 E 合 成 的 前 体 物 质, 三 者 均 属 于 儿 茶 酚 胺 (Catecholamine, CA) 类 由 于 CA 合 成 速 率 调 控 机 制 为 负 反 馈 抑 制 作 用, 即 通 过 终 产 物 来 抑 制 合 成 途 径 中 的 限 速 步 骤, 因 而, 当 神 经 末 梢 胞 浆 中 游 离 DA NE 或 E 浓 度 过 高 时, 限 速 酶 TH 则 会 受 到 负 反 馈 抑 制, 从 而 减 少 CA 合 成 此 外, 囊 泡 除 了 具 有 储 存 作 用 外, 还 可 参 与 递 质 释 放 当 神 经 冲 动 到 达 突 触 前 膜 时,Ca 2+ 通 道 开 放, Ca 2+ 内 流, 细 胞 内 Ca 2+ 浓 度 增 加, 促 使 囊 泡 与 前 膜 融 合,DA 从 而 以 胞 吐 形 式 释 放 至 突 触 间 隙 由 于 DA 释 放 是 Ca 2+ 依 赖 性 的, 因 此, 由 膜 外 进 入 膜 内 的 Ca 2+ 数 量 可 以 直 接 影 响 DA 释 放 量 递 质 释 放 后, 囊 泡 膜 会 在 突 触 前 膜 经 内 吞 作 用 形 成 新 囊 泡, 从 而 实 现 囊 泡 再 循 环 转 运 释 放 到 突 触 间 隙 的 DA 与 突 触 后 膜 上 的 DR 结 合 产 生 生 理 效 应 后, 大 部 分 被 转 运 回 突 触 前 膜 以 备 再 次 利 用 与 受 体 结 合 后,DA 即 被 突 触 前 膜 的 多 巴 胺 转 运 体 (Dopamine transporter, DAT) 重 摄 取 至 突 触 前 膜 胞 浆 中, 然 后 在 VMAT 作 用 下 被 快 速 转 入 囊 泡 中 贮 存, 当 神 经 冲 动 到 达 前 膜 时,DA 被 再 次 释 放 至 突 触 间 隙

3 134 渔 业 科 学 进 展 第 36 卷 因 此,DAT 和 VMAT 相 互 配 合, 可 以 一 定 程 度 调 控 DA 递 质 的 空 间 分 布 海 胆 中 DA 摄 取 量 取 决 于 胚 胎 发 育 时 间 和 DA 浓 度, 海 胆 未 受 精 卵 中 DA 摄 取 量 较 高, 但 受 精 后 min 开 始 下 降, 卵 裂 期 又 有 所 增 加 (Carginale et al, 1995) 目 前, 尚 未 有 海 胆 DAT 和 VMAT 相 关 研 究 降 解 与 受 体 结 合 后, 突 触 间 隙 的 DA 除 被 重 摄 取 回 前 膜 再 次 利 用 外, 剩 余 大 部 分 都 被 酶 促 降 解 而 最 终 失 活 广 泛 分 布 的 单 胺 氧 化 酶 (Monoamine oxidase, MAO) 和 儿 茶 酚 氧 位 甲 基 转 移 酶 (Catechol-O-Methyl Transferase, COMT, EC ) 是 催 化 DA 分 解 的 两 种 重 要 酶 类 (Charles, 2006),COMT 主 要 存 在 于 突 触 间 隙, 而 MAO 则 在 突 触 前 膜 和 间 隙 中 均 有 分 布 神 经 元 内 的 DA 首 先 经 MAO 氧 化 脱 氨 生 成 醛 再 转 化 为 3,4- 二 羟 -β- 苯 乙 酸 或 3,4- 二 羟 苯 乙 酸 (3,4-hydroxyphenylaceticacid, DOPAC), 然 后, 在 Ca 2+ Mg 2+ 存 在 下, 由 S- 腺 苷 蛋 氨 酸 提 供 甲 基, 经 神 经 元 外 的 COMT 进 一 步 甲 基 化 生 成 醇 或 酸,DA 的 主 要 终 产 物 在 中 枢 神 经 元 中 为 3- 甲 氧 -4- 羟 -β- 苯 乙 醇, 而 在 外 周 神 经 元 中 则 为 高 香 草 酸 (Homovanillic Acid, HVA); 突 触 间 隙 的 DA 首 先 由 COMT 转 化 为 3- 甲 氧 基 酪 氨 (3-MT), 再 由 MAO 最 终 转 化 为 3- 甲 氧 -4- 羟 -β- 苯 乙 醇 和 HVA 作 为 DA 的 重 要 终 代 谢 物,HVA 可 被 用 作 间 接 判 断 DA 含 量 总 之,DA 递 质 代 谢 各 个 过 程 协 同 作 用 才 能 确 保 DA 代 谢 保 持 动 态 平 衡 多 巴 胺 受 体 突 触 间 隙 中 含 有 粘 多 糖 糖 蛋 白 和 唾 液 酸 等 化 学 成 分,DA 与 其 结 合 后 才 能 由 前 膜 移 至 后 膜 进 而 与 受 体 结 合 发 挥 生 理 作 用 海 胆 共 有 D l -D 5 五 种 DR, 它 们 均 属 于 7 个 跨 膜 区 域 (7-GM) 组 成 的 G 蛋 白 偶 联 受 体 (G Protein Coupled Receptor, GPCR) (Gingrich et al, 1993), 根 据 生 物 化 学 和 药 理 学 性 质, 可 分 为 促 进 型 D 1 类 (D 1 D 5 ) 和 抑 制 型 D 2 类 (D 2 D 3 D 4 ) 两 大 受 体 家 族 (Missale et al, 1998) 海 胆 D 1 和 D 2 受 体 家 族 对 腺 苷 酸 环 化 酶 (AC) 的 调 控 作 用 与 哺 乳 动 物 脑 类 似 (Kebabian et al, 1979; Stoof et al, 1981) D 1 受 体 家 族 与 刺 激 型 G 蛋 白 (G αs ) 偶 联, 激 活 AC 第 二 信 使 系 统, 调 控 细 胞 代 谢 包 括 离 子 通 道 功 能 相 反,D 2 受 体 家 族 与 抑 制 型 G 蛋 白 (G αi ) 偶 联, 直 接 调 控 偶 联 G αi 亚 单 元 的 效 应 因 子, 抑 制 AC 活 性 (Enjalbert et al, 1983) 贮 存 于 海 胆 未 受 精 卵 表 面 的 DR, 在 受 精 后 仅 可 发 挥 作 用 数 分 钟 或 数 秒 钟, 但 在 整 个 胚 胎 发 育 阶 段 DR 均 可 再 生 (Carginale et al, 1995) DR 不 可 逆 失 活 时, 早 期 胚 胎 发 育 受 损 马 粪 海 胆 (H. pulcherrimus) 的 DR 中 1 型 多 巴 胺 受 体 (Dopamine receptor 1, DRD 1 ) 分 布 较 广 表 达 水 平 最 高, 而 且 在 9.5-hpf 旋 转 囊 胚 期 即 开 始 表 达, 它 可 以 结 合 DA 递 质 来 共 同 调 控 海 胆 胚 胎 和 幼 虫 的 形 态 发 生 和 游 泳 行 为 (Katow et al, 2010) 至 于 海 胆 其 他 各 型 DR 的 作 用 及 信 号 转 导 途 径 相 关 研 究 则 尚 未 有 报 道 1.2 前 多 巴 胺 能 神 经 系 统 中 DA/DRD 1 -Gs 的 形 成 DA 递 质 及 DR 合 成 后,DA 能 神 经 元 发 育 即 进 入 DA 能 神 经 元 前 体 细 胞 期, 该 时 期 递 质 具 有 一 定 的 功 能 活 性 (Buznikov, 1990) Katow 等 (2010) 发 现, 在 DA 能 系 统 发 育 成 熟 之 前 ( 即 前 多 巴 胺 能 神 经 系 统 ), 马 粪 海 胆 (H. pulcherrimus) DA 递 质 及 DRD 1 受 体 蛋 白 在 即 将 孵 化 前 的 9.5 hpf 旋 转 囊 胚 期 开 始 表 达 DA 形 成 直 径 1 2 μm 大 小 DA 颗 粒 (Dopaminergic granules, DAGs), 从 旋 转 囊 胚 期 至 变 态 阶 段 在 胚 胎 和 幼 虫 表 面 均 有 表 达, 且 最 先 出 现 于 外 胚 层 顶 端 表 面 在 48 hpf 二 腕 幼 虫 期,DAGs 数 目 显 著 上 升 并 开 始 发 生 聚 集, 从 最 初 胚 胎 期 的 均 匀 分 布 模 式 发 展 为 有 序 的 纤 毛 环 模 式, 而 在 34 dpf 八 腕 幼 虫 期,DAGs 则 在 各 腕 及 前 后 毛 肩 片 上 聚 集 并 形 成 一 条 较 窄 的 条 带 多 巴 胺 受 体 D 1 颗 粒 (Dopaminergic receptor D 1 granules, DRD 1 -Gs) 的 形 成 时 间 分 布 模 式 及 位 置 均 与 DAGs 非 常 相 似, 并 可 在 跨 膜 区 域 与 DAGs 紧 密 结 合 (DA/DRD 1 -Gs), 每 个 DA/DRD 1 -Gs 还 包 含 多 种 DA/DRD 1 信 号 通 路 的 异 质 共 聚 物 DA/DRD 1 -Gs 与 纤 毛 基 体 相 连, 且 密 集 填 充 于 纤 毛 环 中 二 腕 幼 虫 至 八 腕 幼 虫 阶 段 (48 34 dpf), 幼 虫 腕 纤 毛 环 中 DA/DRD 1 -Gs 均 为 典 型 的 5 列 条 带 类 型, 但 34 dpf 顶 簇 区 DA/DRD 1 -Gs 的 列 数 大 约 增 至 DA 能 神 经 细 胞 形 成 DA/DRD 1 -Gs 聚 集 后, 四 腕 幼 虫 早 期,DA 能 细 胞 开 始 在 下 唇 神 经 节 和 后 口 腕 基 部 形 成 且 具 有 轴 突 联 系, 八 腕 幼 虫 期 其 数 量 增 至 最 大 (Bisgrove et al, 1987) 原 肠 胚 期 及 其 之 前 阶 段,DA 仅 在 未 分 化 细 胞 中 合 成 ; 而 长 腕 幼 虫 期,DA 还 可 在 分 化 神 经 元 中 合 成 虽 然 分 化 和 未 分 化 细 胞 均 可 合 成 DA, 但 相 比 之 下,DA 能 神 经 元 的 递 质 储 存 系 统 更 有 效, 因 此,DA 能 细 胞 形 成 对 DA 含 量 增 加 非 常 重 要 (Toneby, 1980) DA 能 细 胞 形 成 后, 在 长 腕 幼 虫 发 育 过 程 中, 神 经 元 逐 步 生 长 迁 移, 轴 突 不 断 延 伸 联 系,DA 阳 性 纤 维 也 不 断 生 长 延 伸,DA 能 神 经 元 逐 渐 成 熟,

4 第 1 期 汝 少 国 等 : 海 胆 早 期 多 巴 胺 能 神 经 系 统 的 发 育 及 功 能 研 究 进 展 135 DA 能 神 经 系 统 最 终 发 育 成 熟 目 前 关 于 海 胆 DA 能 系 统 具 体 发 育 过 程 及 时 期 相 关 研 究 很 少, 亟 待 补 充 2 海 胆 早 期 多 巴 胺 能 神 经 系 统 的 功 能 2.1 形 态 发 生 调 控 以 马 粪 海 胆 (H. pulcherrimus) 为 例, 通 常 海 胆 早 期 发 育 过 程 大 致 可 分 为 以 下 阶 段 :5 6 hpf 桑 椹 胚 期, 8 hpf 未 孵 化 非 旋 转 囊 胚 期,9.5 hpf 未 孵 化 旋 转 囊 胚 期,14 15 hpf 浮 游 囊 胚 期,16 hpf 间 质 囊 胚 期,20 hpf 原 肠 胚 早 期,24 29 hpf 棱 柱 幼 虫 期,48 hpf 二 腕 幼 虫 期,67 72 hpf 二 腕 幼 虫 晚 期 以 及 34 dpf 八 腕 幼 虫 期 (Katow et al, 2010) 研 究 表 明, 海 胆 早 期 发 育 过 程 中 的 一 系 列 形 态 特 征 变 化, 受 到 包 括 胆 碱 能 系 统 5-HT 能 系 统 和 DA 能 系 统 在 内 的 多 种 递 质 系 统 共 同 调 控 (Buznikov et al, 2001a; Pesando et al, 2003; Qiao et al, 2003; Aluigi et al, 2005) 5-HT 受 体 和 DR 拮 抗 剂 可 以 阻 断 海 胆 胚 胎 卵 裂 (Buznikov et al, 2001b) DA 递 质 及 其 受 体 在 5-HT 能 系 统 发 育 成 熟 之 前 就 开 始 表 达, 对 海 胆 早 期 胚 胎 和 幼 虫 形 态 发 生 具 有 重 要 调 控 作 用 有 研 究 表 明,DA 能 信 号 通 路 能 够 通 过 其 D 2 受 体 调 节 腕 长, 进 而 控 制 幼 虫 发 育 可 塑 性 (Adams et al, 2011) 单 胺 转 运 体 阻 断 剂 利 血 平 能 够 引 起 海 胆 早 期 发 育 畸 形, 而 5-HT 和 DA 的 类 似 物 则 能 够 缓 解 或 消 除 利 血 平 的 影 响 (Buznikov et al, 2007) 通 常 同 一 轴 突 含 有 多 种 递 质, 如 下 唇 神 经 节 最 初 只 包 含 DA 能 细 胞, 但 7 d 后,5-HT 能 细 胞 也 出 现 (Bisgrove et al, 1987) Buznikov 等 (2007) 认 为, 在 海 胆 早 期 发 育 过 程 中, 所 有 递 质 都 作 用 于 一 个 相 同 的 下 游 信 号 通 路, 共 同 调 控 胚 胎 发 育, 当 某 递 质 系 统 受 影 响 导 致 发 育 畸 形 时, 任 一 递 质 的 外 源 类 似 物 均 可 以 缓 解 这 种 畸 形 效 应, 这 进 一 步 说 明, 海 胆 早 期 发 育 阶 段 形 态 发 生 受 多 种 神 经 递 质 系 统 共 同 调 控 2.2 游 泳 行 为 调 控 海 胆 幼 虫 生 长 发 育 伴 随 着 其 游 泳 行 为 复 杂 性 的 增 加, 游 泳 行 为 对 摄 食 逃 逸 反 应 以 及 光 敏 垂 直 迁 移 等 活 动 都 相 当 重 要, 海 洋 幼 虫 的 游 泳 行 为 依 靠 纤 毛 推 动 作 用 纤 毛 是 海 胆 等 海 洋 无 脊 椎 动 物 幼 虫 的 主 要 运 动 器 官 (Kinukawa et al, 2007),Nakajima(1986a b) 首 先 观 察 到 了 位 于 海 胆 幼 虫 前 口 区 的 纤 毛 结 构, 并 且 证 明 了 纤 毛 由 具 有 轴 突 结 构 的 细 胞 长 出 幼 虫 游 泳 的 首 要 效 应 器 为 纤 毛 环 (Strathmann, ), 纤 毛 着 生 其 上, 纤 毛 摆 动 频 率 周 期 乃 至 方 向 等 均 受 多 种 递 质 系 统 调 控 (Wikramanayake et al, 1997) 除 了 前 后 泳 动 之 外, 随 着 海 胆 幼 虫 发 育, 幼 虫 在 以 动 植 物 极 为 轴 线 进 行 逆 时 针 方 向 自 转 的 同 时, 其 动 物 极 在 驱 动 力 牵 引 下 可 以 向 前 运 动, 从 而 使 每 个 幼 虫 在 保 持 自 转 的 同 时 还 能 上 下 游 动 CA 能 神 经 元 和 肽 能 神 经 元 可 能 参 与 调 控 纤 毛 摆 动 (Nakajima, 1987; Beer et al, 2001) DA 和 5-HT 均 可 调 控 幼 虫 游 泳 的 速 度 和 方 向, 二 者 首 要 调 控 纤 毛 摆 动 方 向, 其 次 调 控 摆 动 频 率 Mogami 等 (1992) 发 现, 5-HT 增 加 了 马 粪 海 胆 (H. pulcherrimus) 和 红 海 胆 (Pseudocentrotus depressus) 长 腕 幼 虫 游 泳 速 率 ;DA 降 低 了 红 海 胆 (P. depressus) 长 腕 幼 虫 的 向 前 泳 动 速 率, 却 增 加 了 其 向 后 泳 动 速 率 研 究 认 为,5-HT 能 系 统 多 巴 胺 能 系 统 和 γ- 氨 基 丁 酸 (Gamma Amino Acid Butyric Acid, GABA) 能 神 经 系 统 均 可 参 与 调 控 海 胆 幼 虫 期 游 泳 行 为 (Bisgrove et al, 1987; Yaguchi et al, 2003; Katow et al, ), 但 囊 胚 期 游 泳 行 为 很 可 能 受 前 多 巴 胺 能 神 经 系 统 调 控 (Katow et al, 2010) Katow 等 (2010) 发 现, DAGs 和 DRD 1 -Gs 从 9.5 hpf 未 孵 化 旋 转 囊 胚 期 一 直 到 变 态 阶 段, 在 胚 胎 和 幼 虫 表 面 均 有 表 达 DA/DRD 1 -Gs 最 先 出 现 在 外 胚 层 顶 端 表 面, 与 纤 毛 基 体 相 连, 直 至 八 腕 幼 虫 阶 段 均 密 集 填 充 于 纤 毛 环 中 研 究 发 现,DA 合 成 抑 制 剂 以 及 DR 拮 抗 剂 均 能 够 抑 制 马 粪 海 胆 (H. pulcherrimus) 囊 胚 期 游 泳 行 为 认 为 DA/DRD 1 -Gs 是 DA 能 神 经 系 统 调 控 胚 胎 和 幼 虫 游 泳 行 为 的 形 态 学 基 础, 囊 胚 期 游 泳 行 为 受 前 多 巴 胺 能 神 经 系 统 调 节 因 此, 在 DA 能 细 胞 出 现 之 前, 甚 至 5-HT 能 细 胞 出 现 之 前, 前 DA 能 系 统 中 就 存 在 可 以 调 控 海 胆 形 态 发 生 和 游 泳 行 为 的 重 要 因 子, 即 DA 递 质 及 其 受 体 DRD 1 总 之,DA 能 神 经 系 统 可 以 单 独 或 与 其 他 系 统 共 同 调 控 海 胆 早 期 发 育 阶 段 游 泳 行 为 在 5-HT 能 神 经 系 统 开 始 发 育 之 前 即 胚 胎 期 的 游 泳 行 为 主 要 由 前 多 巴 胺 能 神 经 系 统 调 控 ; 而 5-HT 能 神 经 系 统 开 始 发 育 之 后 即 幼 虫 期 的 游 泳 行 为, 则 可 能 主 要 由 包 括 5-HT 能 系 统 前 多 巴 胺 能 神 经 系 统 和 GABA 能 神 经 系 统 等 在 内 的 多 种 递 质 系 统 协 同 调 控 3 展 望 3.1 进 一 步 探 究 海 胆 多 巴 胺 能 系 统 发 育 影 响 因 子 多 巴 胺 受 体 作 用 及 机 制 目 前,DA 能 系 统 相 关 研 究 多 以 大 鼠 小 鼠 为 对 象, 而 且 远 较 海 胆 透 彻 首 先, 对 海 胆 DA 能 系 统 发

5 136 渔 业 科 学 进 展 第 36 卷 育 的 关 键 成 分 DR 了 解 较 少, 但 在 大 鼠 中, 各 受 体 的 信 号 转 导 途 径 及 作 用 已 较 明 确 介 导 大 鼠 DR 功 能 的 通 路 以 AC/cAMP/PKA 为 主,MAPK Akt/NF-κB 及 PLC β /IP 3 等 为 辅 (Neve et al, 2004) 大 鼠 DR 活 化 可 以 调 控 轴 突 导 向 活 动, 改 变 神 经 元 迁 移 细 胞 周 期 活 动 和 细 胞 形 态, 也 可 能 会 影 响 其 发 育 过 程 因 此, 可 以 运 用 生 化 方 法 和 分 子 生 物 学 方 法, 对 几 种 海 胆 DR 的 功 能 相 互 关 系 及 其 信 号 转 导 途 径 进 一 步 研 究, 以 深 入 了 解 DR 并 为 其 对 海 胆 形 态 发 生 和 游 泳 行 为 的 调 控 机 制 研 究 奠 定 基 础 其 次, 对 海 胆 DA 能 神 经 系 统 发 育 影 响 因 子 了 解 较 少, 但 已 明 确 的 是 小 鼠 DA 能 神 经 元 发 育 受 包 括 Pitx3 Nurrl Lmx 1b 神 经 营 养 因 子 醛 脱 氢 酶 (Aldehyde Dehydrogenase, AHD 2 ) 及 维 A 酸 (RA) 等 多 种 转 录 和 生 长 因 子 调 控, 而 且 各 因 子 间 具 有 相 互 作 用, 因 此, 今 后 可 以 着 重 探 究 海 胆 中 以 上 基 因 对 DA 能 系 统 发 育 的 影 响 3.2 以 早 期 海 胆 为 模 式 生 物, 探 究 三 大 神 经 系 统 在 调 控 过 程 中 的 相 互 关 系 由 于 海 胆 早 期 发 育 阶 段 形 态 发 生 和 游 泳 行 为 受 多 种 递 质 系 统 共 同 调 控, 而 且 主 要 是 胆 碱 能 系 统 5-HT 能 系 统 和 DA 能 系 统 三 大 神 经 系 统 共 同 作 用 的 结 果, 但 具 体 调 控 机 理 并 无 定 论 为 了 进 一 步 明 确 海 胆 早 期 发 育 阶 段 各 时 期 三 大 递 质 系 统 是 怎 样 协 同 调 控 形 态 发 生 和 游 泳 行 为 的, 主 要 作 用 系 统 和 次 要 作 用 系 统 是 如 何 发 挥 上 调 或 下 调 作 用 的, 可 以 借 助 各 系 统 的 特 异 性 拮 抗 剂 进 行 干 扰 处 理, 首 先 排 除 其 他 系 统 的 影 响, 然 后 再 在 分 子 水 平 进 行 研 究 并 结 合 形 态 学 观 察, 来 逐 步 探 究 各 个 系 统 的 作 用 机 制 3.3 以 早 期 海 胆 为 模 式 生 物, 进 一 步 探 究 神 经 毒 物 对 DA 能 系 统 发 育 的 影 响 研 究 发 现, 神 经 毒 物 可 以 通 过 影 响 DA 能 系 统 各 因 子 (DAT VMAT 2 MAO 或 DRD 1 等 ), 进 而 造 成 动 物 形 态 发 生 和 运 动 行 为 异 常 而 表 现 神 经 毒 性 作 用 (Cadet et al, 1998; Gluck et al, 2001; Bradner et al, 2013; 姚 丹, ) ) 因 此, 可 以 运 用 实 时 荧 光 定 量 PCR 技 术 (qrt-pcr) 和 酶 联 免 疫 吸 附 法 (ELISA) 等 方 法, 分 析 神 经 毒 物 对 海 胆 DA 递 质 DR 和 DA 递 质 代 谢 过 程 关 键 因 子 ( 如 TH DAT MAO 等 ) 的 影 响, 为 进 一 步 探 讨 海 胆 DA 能 系 统 发 育 影 响 因 子 及 神 经 毒 物 的 作 用 机 制 提 供 理 论 依 据 参 考 文 献 Adams DK, Sewell MA, Angerer RC, et al. Rapid adaptation to food availability by a dopamine-mediated morphogenetic response. Nat Commun, 2011, 2: 592 Aluigi MG, Angelini C, Corte G, et al. The sea urchin, Paracentrotus lividus, embryo as a bioethical model for neurodevelopmental toxicity testing : Effects of diazinon on the intracellular distribution of OTX2-like proteins. Cell Biol Toxicol, 2008, 24(6): Aluigi MG, Angelini C, Falugi C, et al. Interaction between organophosphate compounds and cholinergic functions during development. Chem-Biol Interact, 2005, : Angelini C, Aluigi MG, Sgro M, et al. Cell signaling during sea urchin development: a model for assessing toxicity of environmental contaminants. Prog Mol Subcell Biol, 2005, 39: Beer AJ, Moss C, Thorndyke M. Development of serotonin-like and SALMF amide-like immunoreactivity in the nervous system of the sea urchin Psammechinus miliaris. Biol Bull, 2001, 200(3): Berdyshev EV, Vaskovsky VE, Vaschenko MA. Sea urchins-a new model for PAF research in embryology. Comp Biochem Phys B, 1995, 110(3): Bisgrove BW, Burke RD. Development of the nervous system of the pluteus larva of Strongylocentrotus droebachiensis. Cell Tissue Res, 1987, 248(2): Bradner JM, Suragh TA, Wilson WW, et al. Exposure to the polybrominated diphenyl ether mixture DE-71 damages the nigrostriatal dopamine system : Role of dopamine handling in neurotoxicity. Exp Neurol, 2013, 241: Burke RD, Angerer LM, Elphick MR, et al. A genomic view of the sea urchin nervous system. Dev Biol, 2006, 300(1): Buznikov GA, Nikitina LA, Bezuglov VV, et al. An invertebrate model of the developmental neurotoxicity of insecticides: effects of chlorpyrifos and dieldrin in sea urchin embryos and larvae. Environ Health Perspect, 2001a, 109(7): Buznikov GA. Neurotransmitters in Embryogenesis. Chur, Switzerland Harwood Academic Publishers, 1990:1 526 Buznikov GA, Nikitina LA, Rakić LM, et al. The sea urchin embryo, an invertebrate model for mammalian developmental neurotoxicity, reveals multiple neurotransmitter mechanisms for effects of chlorpyrifos: therapeutic interventions and a comparison with the monoamine deplete, reserpine. Brain Res Bull, 2007, 74 (4): Buznikov GA, Lambert HW, Lauder JM. Serotonin and serotonin-like substances as regulators of early embryogenesis and morphogenesis. Cell Tissue Res, 2001b, 305(2): ) 姚 丹. 久 效 磷 对 马 粪 海 胆 (Hemicentrotus pulcherrimus) 胚 胎 发 育 神 经 毒 性 效 应 研 究. 青 岛 : 中 国 海 洋 大 学 博 士 学 位 论 文, 2010, 1 94

6 第 1 期 汝 少 国 等 : 海 胆 早 期 多 巴 胺 能 神 经 系 统 的 发 育 及 功 能 研 究 进 展 137 Cadet JL, Brannock C. Free radicals and the pathobiology of brain dopamine systems. Neurochem Int, 1998, 32(2): Carginale V, Borrelli L, Capasso A, et al. Changes in Dopamine Uptake and Developmental Effects of Dopamine Receptor Inactivation in the Sea Urchin. Mol Reprod Dev, 1995, 40(3): Charles AM. Dopamine: the rewarding years. Brit J Pharmacol, 2006, 147(Suppl 1): Doran SA, Koss R, Tran CH, et al. Effect of serotonin on ciliary beating and intracellular calcium concentration in identified populations of embryonic ciliary cells. J Exp Biol, 2004, 207(8): Enjalbert A, Bockaert J. Pharmacological characterization of the D 2 dopamine receptor negatively coupled with adenylate cyclase in rat anterior pituitary. Mol Pharmacol, 1983, 23 (3): Falugi C, Diasprob A, Angelini C, et al. Three-dimensional mapping of cholinergic molecules by confocal laser scanning microscopy in sea urchin larvae. Micron, 2002, 33(3): Falugi C, Lammerding-Koppel M, Aluigi MG. Sea Urchin Development: An Alternative Model for Mechanistic Understanding of Neurodevelopment and Neurotoxicity. Birth Defects Res C Embryo Today, 2008, 84(3): Gingrich JA, Caron MG. Recent advances in the molecular biology of dopamine receptor. Annu Rev Neurosci, 1993, 16: Gluck MR, Moy LY, Jayatilleke E, et al. Parallel increases in lipid and protein oxidative markers in several mouse brain regions after methamphetamine treatment. J Neurochem, 2001, 79(1): Graillet C, Pagano G, Girard JP. Stage-specific effects of teratogens on sea urchin embryogenesis. Teratogen Carcinogen Mutagen, 1993, 13(1): 1 14 Katow H, Abe K, Katow T, et al. Development of the GABAergic signaling system and its role in larval swimming in sea urchin. J Exp Biol, 2013, 216 (Part 9): Katow H, Suyemitsu T, Ooka S, et al. Development of a dopaminergic system in sea urchin embryos and larvae. J Exp Biol, 2010, 213(16): Katow H, Yaguchi S, Kyozuka K. Serotonin stimulates [Ca 2+ ] elevation in ciliary ectodermal cells of echinoplutei through a serotonin receptor cell network in the blastocoels. J Exp Biol, 2007, 210(Pt 3): Kebabian JW, Calne DB. Multiple receptors for dopamine. Nature, 1979, 277: Kinukawa M, Vacquier VD. Adenylate kinase in sea urchin embryonic cilia. Cell Motil Cytoskel, 2007, 64(4): Missale C, Nash SR, Robinson SW, et al. Dopamine Receptors: From Structure to Function. Physiol Rev, 1998, 78(1): Mogami Y, Watanabe K, Ooshima C, et al. Regulation of ciliary movement in sea urchin embryos: dopamine and 5-HT change the swimming behavior. Comp Biochem Physiol, 1992, 101(2): Morale A, Conigiio L, Angelini C, et al. Biological effects of a neurotoxic pesticide at low concentrations on sea urchin early development. Chemosphere, 1998, 37(14): Nakajima Y. Presence of ciliary patch in preoral epithelium of sea urchin plutei. Dev Growth Differ, 1986a, 28(3): Nakajima Y. Development of the nervous system of sea urchin embryos: Formation of the ciliary bands and the appearance of two types of ectoneural cells in the pluteus. Dev Growth Differ, 1986b, 28(6): Nakajima Y. Localization of catecholaminergic nerves in larval echinoderms. Zool Sci, 1987, 4(2): Neve KA, Seamans JK, Trantham-Davidson H. Dopamine receptor signaling. J Recept Signal Transduct Res, 2004, 24(3): Pagano G, Biase A, Iaccarino M, et al. Bauxite manufacturing residues from Gardanne (France) and Portovesme (Italy) exert different patterns of pollution and toxicity to sea urchin embryos. Environ Toxicol Chem, 2002, 21: Pesando D, Huitorel P, Dolcini V, et al. Biological targets of neurotoxic pesticides analysed by alteration of developmental events in the Mediterraneansea urchin, Paracentrotus lividus. Mar Environ Res, 2003, 55(1): Qiao D, Nikitina LA, Buznikov GA, et al. The sea urchin embryo as a model for mammalian developmental neurotoxicity: ontogenesis of the high-affinity choline transporter and its role in cholinergic trophic activity. Environ Health Persp, 2003, 111(14): Rang HP, Dale MM, Pitter JM, et al. Rang and Dale s Pharmacology. Sixth Edition. Beijing: Peking University Medical Press, 2010, 526 Semenova MN, Kiselyov A, Semenov VV. Sea urchin embryo as a model organism for the rapid functional screening of tubulin modulators. BioTechniques, 2006, 40(6): Sodergren E, Weinstock GM, Davidson EH, et al. The Genome of the Sea Urchin Strongylocentrotus purpuratus. Science, 2006, 314: Stoof JC, Kebabian JW. Opposing roles for the D-l and the D-2 dopamine receptors in efflux of cyclic AMP from rat neostriatum. Nature, 1981, 294: Strathmann RR. Larval feeding in echinoderms. Amer Zool, 1975, 15: Strathmann RR. The feeding behavior of planktotrophic echinoderm larvae: mechanisms, regulation and rates of suspensionfeeding. J Exp Mar Biol Ecol, 1971, 6(2): Toneby M. Dopamine in developing larvae of the sea urchin Psammechinus Miliaris Gmelin. Comp Biochem Phys, 1980,

7 138 渔 业 科 学 进 展 第 36 卷 65(2), US EPA 600R Short-term methods for estimating the chronic toxicity of effluents and receining waters to West Coast marine and estrarine organisms Wada Y, Mogami Y, Baba SA. Modification of ciliary beating in sea urchin larvae induced by neurotransmitters: Beat-plane rotation and control of frequency fluctuation. J Exp Biol, 1997, 200(1): 9 18 Wikramanayake AH, Klein WH. Multiple signaling events specify ectoderm and pattern the oral-aboral axis in the sea urchin embryo. Development, 1997, 124(1): Yaguchi S, Katow H. Expression of tryptophan 5-hydroxylase gene during sea urchin neurogenesis and role of serotonergic nervous system in larval behavior. J Comp Neurol, 2003, 466(2): Yao D, Ru SG, Katow H. The neurotoxic effects of monocrotophos on the formation of the serotonergic nervous system and swimming activity in the larvae of the sea urchin Hemicentrotus pulcherrimus. Environ Toxicol Pharm, 2010, 30(2): ( 编 辑 冯 小 花 ) Progress on the Research of the Development and Function of the Dopaminergic Nervous System of Sea Urchin in the Early Developmental Stage RU Shaoguo 1, WANG Cuicui (Marine Life Science College, Ocean University of China, Qingdao ) Abstract Sea urchin embryo and larvae in the early developmental stages is an important model for research on marine ecological toxicology. Sea urchin dopaminergic (DA) nervous system develops earlier than the cholinergic system, and it starts to regulate the morphogenesis and swimming behaviors much earlier than the serotonergic system. Here we used sea urchin in the early developmental stages as a model and reviewed the development and the functions of the dopaminergic nervous system. The synthesis of dopamine and the receptors precedes the development of the dopaminergic nervous system. The dopaminergic neuron precursor cell period starts after the synthesis of DA and the receptors. In this period DA and DA receptor 1 (DRD 1 ) appears in the form of granules of which the diameter is 1-2 μm (DA/DRD 1 -Gs), and they are also expressed on the surface of the embryo and larvae from the rotational blastula stage to the metamorphosis stage. After the aggregation of DA/DRD 1 -Gs, dopaminergic cells with the axon contacts begin to develop in the labial ganglion and the base of the back oral arms in the early four-wrist larval stage. The number of dopaminergic cells reached the maximum in the eight-wrist larval stage. Then the dopaminergic nervous system continues to develop until the maturity. The morphogenesis in the early developmental stage is regulated by several neurotransmitter systems together, and the swimming behaviors in different early periods can be regulated by either the dopaminergic nervous system alone or together with other systems. In the end, we assessed the prospective studies on issues, such as the factors affecting the development of the dopaminergic nervous system in the early developmental stages of sea urchin, the functions and the signaling pathway of DA receptors, the primary-secondary relationship and the mechanisms of the up-/down-regulation of the three important neurotransmitter systems in early morphogenesis and swimming behaviors, and the influences of neurotoxic substances on the development of the dopaminergic nervous system. Key words Sea urchin; Early developmental stages; Dopaminergic nervous system 1 Corresponding author: RU Shaoguo, rusg@ouc.edu.cn