褪黑激素对虾蟹生理功能调控的研究进展

黄根勇， 张佳鑫， 徐敏杰， 杨志刚， 成永旭， 杨筱珍

(上海海洋大学 省部共建水产种质资源发掘与利用教育部重点实验室， 上海 201306)

褪黑激素对虾蟹生理功能调控的研究进展

黄根勇， 张佳鑫， 徐敏杰， 杨志刚， 成永旭， 杨筱珍

(上海海洋大学 省部共建水产种质资源发掘与利用教育部重点实验室， 上海 201306)

褪黑激素是一种吲哚类神经内分泌激素，具有十分广泛的生理功能。介绍了生物体内褪黑激素的合成和代谢过程，综述了褪黑激素在调节血糖水平、控制活动能力、调控生殖功能、抗氧化功能、蜕壳和附肢再生以及调节昼夜节律等方面的调控作用，为进一步研究褪黑激素对虾蟹生理功能影响的机制提供理论基础。

褪黑激素；虾蟹类；生理调控

褪黑激素(Melatonin)，又叫褪黑素、松果体素、黑色紧张素，是主要由松果体分泌的一种吲哚类激素。1958年，耶鲁大学医学院Lerner等[1]首次从肉牛松果体中分离出这一化合物，并鉴定其化学结构为N-乙酰-5-甲氧色胺。随后，科学家们也陆续弄清楚了褪黑激素的生物合成、新陈代谢、生理学和病理生理学功能。褪黑激素广泛存在于细菌、真菌、藻类、植物、单细胞的真核生物、无脊椎动物和脊椎动物中[2]。在虾蟹类其主要分布于血淋巴、脑、肌肉和眼柄中[3]。褪黑素在虾蟹类的多种生理过程中发挥重要的调节作用，如调节血糖[4-5]、抗氧化[3,6]、调控生殖功能[7-8]以及促进蜕壳和附肢再生等[9]。本文综述了褪黑激素的生物合成和代谢及其在虾蟹主要生理功能的调控作用，为进一步研究褪黑激素对虾蟹生理功能影响的机制提供理论基础。

1 褪黑激素的合成及代谢

无论在无脊椎动物、植物还是脊椎动物中，褪黑激素的生物合成都是相似的。在研究过的组织和细胞中，褪黑激素的合成都是由色氨酸经过羟基化作用、脱羧反应、乙酰化作用和甲基化作用之后产生的[1]。过程如下：色氨酸在色氨酸羟化酶(TPH)的作用下转化为5-羟色氨酸；5-羟色氨酸经过5-羟基色氨酸脱羧酶(5-HT-POC)去碳酸基，形成5-羟色胺；然后在芳烷基胺-N-乙酰基转移酶(AA-NAT)的作用下生成N-乙酰基色氨酸；最后羟基吲哚-O-甲基转移酶(HIOMT)将N-乙酰基色氨酸转化为N-乙酰-5-甲氧色胺，即褪黑激素。AA-NAT是合成过程中的限速酶，HIOMT是全部合成过程中的关键酶[10]。

褪黑激素的主要降解场所是肝脏。在肝细胞中，褪黑激素在微粒体作用下生成6-羟基褪黑激素，其中60%～65%的6-羟褪黑激素在6-羟基褪黑激素磺基转移酶作用下与磺基结合酯化为6-磺基褪黑激素，进入肾脏经尿液排出体外；5%与葡萄糖醛酸结合，经尿排出；20%经脱乙酰基和脱氨基形成5-甲氧基吲哚乙酸；其余的10%～15%形成Enrlich反应阴性产物。肝脏清除褪黑激素的过程很快，效率非常高，血液流经肝脏一次可清除90%的褪黑激素[11]。

2 褪黑激素的生理功能

2.1 参与血糖调节

在不断变化的环境中维持血淋巴葡萄糖的稳定是生命中最基本的过程。而虾蟹中X器官-窦腺复合体所分泌的高血糖激素是维持血糖稳态最重要的激素。血糖水平呈现昼夜性的原因之一是X器官-窦腺复合体呈昼夜节律性地分泌高血糖激素，造成血糖水平在晚上达到最高，而在下午则最低[1]。当血糖水平较高时，胰岛素能降低其水平，低至一定值时，褪黑激素能够抑制胰岛β细胞分泌胰岛素，并促进X器官-窦腺复合体分泌高血糖激素，以提高血糖水平[12]。此后，Sainath等[1]也证实色拉淡水蟹(Oziotelphusasenexsenex)注射褪黑激素可以引起血糖水平以剂量依赖性的增高。Maciel等[4]实验也表明特定条件下褪黑激素能够提高河口蟹(Neohelicegranulata)血糖水平。此外，正常情况下招潮蟹(Ucapugilator)体内一个昼夜血糖水平存在两个高峰期，而注射褪黑激素后，只出现一个高峰期[13]，这也表明褪黑激素对血糖调节发挥了重要作用。

虽然褪黑激素通过调节高血糖激素和胰岛素，维持动物体内血糖稳态，但其作用的结果会受到季节变化的影响。例如，早春时节，向小龙虾(Procambarusclarkii)体内注射褪黑激素(1 μg/g)和生理盐水，结果显示，血糖水平在晚上比对照组要高，在白天比对照组低。夏末时节进行重复试验，发现不论白天还是晚上，血糖水平均低于对照组[14]。

2.2 控制活动能力

目前人们还不完全清楚虾蟹控制运动节律性的机制。但已有研究表明，5-羟色胺作为褪黑激素的前体物质，可以改变虾蟹类的运动行为[15]。并且有证据表明褪黑激素会增加与活动能力有关的心脏搏动的频率，从而控制动物的活动能力[14]。

然而，褪黑激素的作用受季节条件和给予时间的影响。正常情况下，小龙虾白天的活动能力高于夜晚。早春时节，注射褪黑激素后，小龙虾在夜晚的活力强于白天。而在夏末时节，相同的实验条件下，注射褪黑激素后，小龙虾在夜晚的活动能力比白天弱，并且24 h内的活力没有显著变化。在初夏时节，不同时间点注射褪黑激素和盐水，观察注射1 h后的活动能力，发现白天其活动能力增强，晚上则减弱[14]。Tilden等[16]的研究结果也表明在一天中的不同时间点给予褪黑激素，造成招潮蟹(Ucapugilator)活力增强或减弱的结果也不尽相同。

2.3 抗氧化功能

每一个细胞的生命活动都需要能量，它们常利用氧气作为燃料通过氧化过程产生能量，以维持生存需要[1]。然而，当机体和氧气通过酶促反应和非酶促反应产生大量自由基时，如氧自由基、羟自由基，这些自由基不利于生命的维持已被大量证实。因此，维持细胞内氧化与抗氧化水平的平衡是相当重要的。当自由基的含量超过内在抗氧化防御系统(the antioxidant defense system, ADS)降解自由基的阈值时，会造成细胞的氧化应激。褪黑激素是调控抗氧化防御系统动态平衡的分子之一[1], 它具有很强的抗氧化作用，可直接通过提供电子来清除活性氧，失去电子后，褪黑激素本身变成了毒性很低的吲哚阳离子，后者进一步清除活性氧，转变成N1-乙酰-N2-甲酰-5-甲氧脲酰胺(AFMK)，AFMK比褪黑激素具有更强的抗氧化能力，两者协同作用，进一步增强了褪黑激素对活性氧的清除能力[17]。下面两篇报道表明虾蟹体内褪黑激素对ADS有调控作用。如，在特定时间内，一定剂量的褪黑激素能够影响河口蟹运动肌肉中抗氧化剂和促氧化剂的动态平衡，从而间接调节机体内的ADS的抗氧化功能[18]。再比如，活性氧簇能够影响腮部ADS的功能，向离体培养鳃组织的培养基中添加褪黑激素能够减少活性氧簇的含量，从而促进腮部ADS发挥抗氧化作用[3]。此外，也有报道显示褪黑激素可间接通过光期来影响ADS的强弱[6]。褪黑激素也可通过抑制机体内NO合酶的活性，进而抑制NO的生成以减少其对机体的氧化损伤[19]。

2.4 调控生殖功能

褪黑激素在调节生殖功能方面也发挥着重要的作用。在脊椎动物中，褪黑激素对生殖系统功能的影响是通过下丘脑-垂体-性腺轴(Hypothalamic-pituitary-gonadal axis, HPGA)实现的，但褪黑激素因动物种类、生理状况、生活环境等不同从而表现出不同的效应：促进、抑制或无作用[20]。

甲壳动物中，两种相互作用的神经内分泌激素在调控生殖时发挥主要作用。一种是性腺抑制激素，由眼柄神经分泌细胞合成，储存于窦腺，接受刺激后释放；另一种是促性腺激素，由脑和胸神经节产生[1]。此外，大颚器和Y器官产生的甲基法尼醇和蜕皮素也与生殖有关。Girish等[7]研究发现向锯缘青蟹(Scyllaserrata)体内注射褪黑激素能够刺激Y器官和大颚器分泌蜕皮素和甲基法尼醇，从而诱导生殖。此外，Sainath等[8]的实验表明褪黑激素通过抑制X器官-窦腺复合体中卵黄蛋白抑制激素的释放，提高卵巢卵黄蛋白水平，增加卵巢重量、卵母细胞直径，从而刺激卵巢发育和成熟，促进生殖。尽管如此，为了更确切地了解褪黑激素诱导虾蟹类生殖的作用机理，需要进一步研究。

2.5 蜕壳与附肢再生

虾蟹生活史中附肢再生和蜕壳现象是紧密联系的。当螃蟹自切失去附肢后，等到蜕壳时，角质层和肢芽再生，形成新的附肢。 Sainath 和Reddy[8]首次证明了褪黑激素能够调节虾蟹的蜕壳循环。每只蟹中注射10-7mol褪黑激素能够加速蜕壳。并且注射褪黑激素后，蜕皮素和甲基法尼醇的循环水平显著提升。他们猜测褪黑激素诱导蜕壳是因为褪黑激素抑制了蜕皮抑制激素(MIH)或大颚器抑制激素(MOIH)的释放，或是两者都被抑制。而众所周知的是MIH和MOIH能够抑制蜕皮素和甲基法尼醇的合成。在虾蟹中，蜕壳时常伴随着附肢再生现象。经过0.25 mmol/L褪黑激素处理的招潮蟹，附肢再生率显著提高[21]。

2.6 参与调节昼夜节律

昼夜节律性是生命体最基本的生命现象。从定义上讲，昼夜节律是生物随着地球转动和昼夜循环，行为和代谢表现为持续的循环模式。虾蟹类在许多生命活动中均显示了这种节律性，如耗氧、血糖水平、活动能力、色素移动和抗氧化防御能力等[1]。褪黑激素在此过程中起着主要的作用，它可以将光周期信息传达给有机体，使机体通过调节生理机能，以应对环境信号改变。因此，褪黑激素也被叫作时相分子。正常情况下，血液中褪黑激素的浓度主要受外界光线强度的影响。在白天光线强时，抑制脑胸神经节分泌褪黑激素，使白天血液中褪黑激素浓度维持在较低水平；傍晚，随着外界光线强度减弱，神经节分泌褪黑激素逐渐增加，至大概凌晨时达峰值，以后逐渐下降，呈现昼夜节律性分泌的特点[22]。但不同动物不同组织中的昼夜节律是不同的。例如，小龙虾眼柄中褪黑激素的高峰期在晚上19:00左右[23]，而挪威龙虾(Nephropsnorvegicus)血淋巴中的褪黑激素高峰期则在白天[24]。

2.7 其他功能

除上述功能外，褪黑激素还涉及其他方面的功能，如调节神经节电活动、神经生成和保护、抗紫外和抗应激等功能。有学者在对小龙虾食管上神经节和视网膜的电活动研究中发现，此两种组织的电活动遵循昼夜节律，食管上神经节的电活动性在光照期更高，而视网膜则在黑暗期更高。当内源性褪黑激素浓度较低时，向小龙虾体内注射褪黑激素可引起食管上神经节的电活动降低，以及增强视网膜电流图振幅，从而影响神经节电活动的昼夜节律性[25]。在哺乳动物细胞株中，例如神经母细胞瘤细胞，褪黑激素具有神经元生成和神经保护双重作用[26]。此后，类似的作用也被发现在招潮蟹研究中：体外培养招潮蟹X器官，并给予一定浓度的褪黑激素，24 h内能够显著促进轴突神经生成。当培养基中含有200 μmol和500 μmol H2O2时，抑制神经元生成，而褪黑激素能够转化这种抑制神经元生成的作用[26]。此外，有研究发现河口蟹眼柄产生的褪黑激素可以抵御紫外辐射所引起的对机体产生的多种危害，以维持机体健康，这些危害包括：活性氧簇的大量产生、脂质过氧化损伤、改变过氧化氢酶活性和褪黑激素免疫组化反应性等[27]。

3 展望

作为一种神经内分泌激素，研究表明褪黑激素能够参与调节虾蟹体内的许多生理过程，对虾蟹的生长发育具有正向作用。对虾蟹体内褪黑激素受体的定位和褪黑激素的作用机制的深入研究，能够进一步确定褪黑激素在虾蟹体内所发挥的作用。

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Progress of regulation of melatonin on the physiological functions of crustaceans

HUANG Gen-yong, ZHANG Jia-xin, XU Min-jie, YANG Zhi-gang,CHENG Yong-xu, YANG Xiao-zhen

(Key Laboratory of Exploration and Utilization of Aquatic Genetic Resources, Ministry of Education,Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

Melatonin is a kind of neuroendocrine hormone, which has a wide range of physiological effects. The synthesis and metabolism of melatonin in vivo were described in this paper. In addition, regulation of melatonin was reviewed, including maintaining glucose homeostasis, regulating activities, reproduction, antioxidant properties, molting and limb regeneration and circadian rhythm. Based on the above, some theoretical data were proposed for the future study of the mechanism about the effect of melatonin on the physiological function of crustaceans.

melatonin; crustaceans; physiological regulation

2016-06-06；

2016-07-29

国家自然科学资金(31272677; 31472287)；国家农业科技成果转化项目 (2012GB2C000147)；上海市科委科技合作专项(13340721500)；上海市高校知识服务平台(ZF1206)

黄根勇，硕士，研究方向为中华绒螯蟹生长发育及生理，E-mail: 15000171180@163.com

杨筱珍，副教授，硕士生导师，主要从事水生动物生殖免疫方面的研究，E-mail: xzyang@shou.edu.com

Q576

A

2095-1736(2017)02-0082-04

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2017.02.082