热应激对鱼类hsp70基因和caspase-3基因影响的研究进展

张华琨 王冠 王秀利

摘要：鱼类对温度的适应因其种类不同而有差异，这是长期进化和演变的结果。本文通过对不同种鱼类的最大临界温度和高起始致死温度这两个热耐受性指标、耐热相关基因的表达等进行了综述，发现影响鱼类耐热能力的重要因素是基础水温和温度升高的速率，以及生物的生理及遗传，进而掌握不同鱼类的耐热能力，并对在高温胁迫下表达差异显著的hsp70基因和caspase-3细胞凋亡相关基因进行了分析讨论;发现热应激使hsp70在鱼类体内的合成速度显著增加，以提高鱼类的抗应激能力，同时也会使caspase-3基因被激活，诱导细胞发生凋亡。

关键词：鱼类;热耐受性;hsp70基因;caspase-3基因

生态环境中的各类因子会对生物的生长繁殖产生影响，其中限制性因子是限制生物生长繁殖的关键因素，如温度、盐度、光照、溶氧、pH值这些限制性因子都会对生物的正常生命活动产生限制性作用[1]。而在众多环境因子中，影响生物生长发育、繁殖的一个关键因素是温度。鱼类作为水生变温动物，对水温感知迅速，但自身体温调节能力较弱，因而体温容易受到外界环境温度影响，随环境温度变化而变化。其生长繁殖与环境生活条件联系紧密。水温对鱼类的生长、繁殖、免疫等相关活动均有影响，具有多方面的作用。当环境中水温发生变化时，鱼类的生理机能、摄食量等方面会随之发生改变。相关研究表明，鱼类自身能够正常生长发育是因为对外界环境的不断适应，而温度、光强、pH值、盐度、溶氧、营养物质、密度等是影响鱼类生长发育的主要外界因素[2]。同时鱼类对温度应激反应敏感，机体在温度超出一定范围后，就会自发进行一系列生理调节来帮助自身适应新的环境，以维持内环境稳态，即为热耐受性[3]。

在全球气候变暖及热污染越来越严重的情况下，已有学者通过研究鱼类的最大临界温度（Criticalthermalmaximum，CTM）和高起始致死温度（Upperincipientlethaltemperature，UILT50）这两个热耐受性指标来探究不同鱼类的耐热能力。本文通过对不同种鱼类的最大临界温度和高起始致死温度这两个热耐受性指标、耐热相关基因的表达等进行综述，为今后鱼类耐高温方面的研究提供了思路。

1鱼类的热耐受性指标

研究显示，当水温上升到一定程度，鱼体逐渐出现身体缺乏平衡、呼吸困难、丧失游泳能力等行为，此时的温度值即为高温耐受极限值或称最大临界温度。将50%的生物个体不能长期生存下去的温度定义为起始致死温度。该起始致死温度的耐高温方向即为高起始致死温度。鱼类因种类不同而具有不同的临界温度、致死温度以及热适应能力。一般来说，同科鱼类的最大临界温度也存在一定差异，暖水性鱼类对低温敏感并能耐受高温，而冷水性鱼类则是对高温更敏感，能够适应低温环境。相关研究还发现，鱼类的热耐受性受温度驯化的影响，其临界温度或初始致死温度与驯化温度呈线性相关关系[4]。

1.1不同鱼类的最大临界温度

就暖水性鱼类来说，点篮子鱼在基础水温19～31℃条件下，CTM值为37.26～39.90℃[5];南亚野鲮在基础水温25～35℃条件下，CTM值为40.2～42.2℃[6];短体下眼鲿在基础水温15～36℃条件下，CTM值为34.86～42.79℃[7];梭鱼在25～34℃条件下，CTM值为40.8～42.5℃[8]。

就温水性鱼类来说，鲤在基础水温25～35℃条件下，CTM值为39.7～42.9℃[6];南方鲇在基础水温10～30℃条件下，CTM值为34.13～39.41℃[9];中华鳑鲏在基础水温20～25℃条件下，CTM值为35.82～38.01℃[10];在基础水温10～30℃条件下，蓝鳃太阳鱼CTM值为33.9～41.2℃，长耳太阳鱼CTM值为34.8～40.0℃[11];在基础水温20～30℃条件下，斑点叉尾鮰CTM值为35.4～38.5℃，大口黑鲈CTM值为36.4～40.3℃[12];

就冷水性鱼类来说，尖头鳉在基础水温14～29℃条件下，CTM值为32.29～35.71℃[12];虹鳟的在基础水温10～20℃条件下，CTM值为28.0～29.8℃[13];硬头鳟在基础水温14℃条件下，CTM值为24.3℃[13]。

由此可得，魚类的热耐受性会受到温度驯化的影响，表现为当驯化温度上升时，最大临界温度也随之升高，这表明鱼类对温度的适应性可随外界环境温度变化而改变，即高温驯化可帮助鱼类提高耐热能力，同时表明物种的适温能力与其生活环境温度密切相关。并且有研究表明，CTM比其他任何方法更接近自然条件[14]，因此，它可以广泛地作为一种比较方法来量化不同物种之间的热容差异。

1.2不同鱼类的高起始致死温度

在暖水性鱼类中，在5～26℃条件下，许氏平鮋UILT50值为25.1～29.8℃，褐菖鮋UILT50值为24.3～29.6℃，矛尾鰕虎鱼UILT50值为28.6～35.2℃[15];梭鱼在25～34℃条件下，UILT50值为36.8～38.5℃[8]。

在温水性鱼类中，南方鲇的UILT50为39.41℃[9];中华鳑鲏的UILT50为40.26℃[10];鲫的UILT50为35.30℃[16]。

在冷水性鱼类中，在基础水温5～26℃条件下，大泷六线鱼UILT50值为22.7～29.1℃，石鲽鱼UILT50值为25.7～30.0℃[15]。

综上所述，最大临界温度和高起始致死浓度是生物耐热性实验中最重要的也是最具研究意义的两个因素，并且一般随基础水温的升高呈现上升趋势。研究发现，生物的CTM值在相同基础水温条件下均高于UILT50值[17]。影响鱼类耐热能力的重要因素是基础水温和温度升高的速率，且不同物种间的热耐受性存在显著差异，而这种差异与生物的地理分布和适宜的生长温度等因素有很大关联。一般来说，暖水性生物比冷水性生物的耐热能力强，但耐低温能力低于冷水性生物。此外生物的生理及遗传等因素也可能是造成耐热能力不同的原因。

2鱼类的高温耐受相关基因

2.1鱼类hsp70基因

近年来研究表明，热休克蛋白HSP家族作为高度保守的蛋白质，在鱼类生长发育、蛋白合成、抗应激以及参与机体免疫等方面发挥着重要的分子伴侣作用。HSP对温度具有高度敏感性，该基因的表达与鱼类耐热性成正相关，同时热休克蛋白也是分析鱼类耐热性的重要分子标记[18]。而hsp70在热休克蛋白家族中扮演重要角色，几乎所有细胞的蛋白质生成和消亡均有其参与，因而在该家族中具有十分重要的地位，hsp70在很大程度上可以作为有效评估鱼类热应激反应的生物标志物，是鱼类温度应激中最关键的生理生化指标之一。

迄今为止已有多种鱼类的hsp70基因的表达被广泛研究，该基因不仅能够提高细胞的应激耐受性，还能增加机体的抗氧化作用。田照辉等[19]研究发现，对西伯利亚鲟进行急性热应激，其脑、鳃、脾三个组织中的hsp70mRNA表达均有不同程度的上调，其中鳃组织反应最快，表现出明显的组织特异性;林亚秋[20]在鲤的鳃、肠、心脏、鳔、黏液、性腺等组织中检测到hsp70基因的组织表达差异，在热应激诱导2h后诱导hsp70基因大量表达，随后表达量逐步降低，但在大量的研究中发现这种上升表现为短期的上升。明建华等[21]对团头鲂进行34℃的持续热应激，发现其肝脏hsp70mRNA的变化呈现先升后降的趋势，相对表达量的最大值在应激6h后出现，且下降后仍然高于应激前的水平;周朝伟等[22]在32℃条件下对银鲫进行热应激，发现其肝脏hsp70mRNA的表达量现先上升后下降的趋势，这与团头鲂的该基因在热应激下变化一致。强俊等[23]在31℃和35℃条件下对尼罗罗非鱼进行热应激，其肝脏hsp70mRNA的表达量也呈现先升后降;苏岭等[24]将鲫的水环境条件从18℃直接转为28℃，观察到其肝脏hsp70mRNA表达开始上升，经过4h达到最高峰后开始逐渐下降;对虹鳟RTG-2细胞进行28℃的持续应激，发现两种hsp70基因的表达量均呈现先升后降的趋势，相对表达量在应激3h后达到最大值[25]（图1）。

综上所述，在热应激状态下，机体的hsp70基因被激活，hsp70基因的启动子也在转录调控因子的调节下被RNA聚合酶激活，致使细胞中hsp70mRNA含量升高，hsp70蛋白合成增多，最终导致hsp70的表达水平升高。此外，热应激相关途径能够调节鱼类hsp70基因的表达，hsp70作为“分子伴侣”，能够结合变性蛋白对中间产物进行折叠和装配，多数种类在热应激前期该基因表达明显上升，可使细胞本身提高对外界不利刺激的耐受性进而提高成活率，减少或消除对机体的损害，对机体起到促进修复的作用[26];而后期该基因获得对高温的耐受力，应激状态得以缓解，使其表达下降，从而保证机体内部功能不受损伤。

2.2鱼类caspase-3基因

多细胞生物调节自身生长、发育和免疫反应的基本生物学进程即为细胞凋亡。作为细胞凋亡过程中的关键酶——caspase家族，也是直接导致凋亡细胞解体的蛋白酶系统，在细胞凋亡过程中发挥极其重要的作用。caspase蛋白酶是一类以半胱氨基酸为活性中心的蛋白酶，具有天冬氨酸特异性，caspase家族一般分为两类，即起始caspase和效应caspase，其中，caspase-3介导的信号传递途径存在于绝大多数的细胞凋亡反应过程中[27]。

近年来，有关caspase-3基因在高温胁迫下的表达分析已在部分鱼类中得到研究，孙盛明等[28]对团头鲂进行高温胁迫，发现热应激能够激活团头鲂幼鱼体内的caspase-3基因，使其表达量上升;陆建等[29]探究高温对大口黑鲈凋亡相关基因的表达，发现在37℃高温胁迫条件下，该基因随胁迫时间的延长呈现先升后降的趋势;Yabu等[30]研究了斑马鱼胚胎在高温39℃热应激下的发育情况，结果显示，斑马鱼胚胎出现了大量的细胞凋亡现象，caspase-3基因的表达量明显上升，其活性也数倍增加;同样，类似的情况也在大西洋鲑鱼[31]和日本牙鲆[32]中发现。

研究鱼类体内caspase-3基因在热应激下的表达变化，结果表明短期的急性升温会导致细胞的细胞膜和蛋白质因应激而受到损伤，使凋亡相关系列基因被激活，最后诱导细胞发生凋亡，并使机体发生细胞凋亡级联反应，对受损伤细胞进行清除，进而维持机体内环境的稳定，也表明caspase-3基因在细胞凋亡信号的诱导、转导和放大中起着关键作用。

3结语

hsp70作为细胞内最重要的分子伴侣之一，其功能在多方面均有重要应用，如蛋白质合成、跨膜运输、精准折叠、降解、装配、细胞骨架及核骨架稳定等[33]。除此之外，对鱼类hsp70功能和在各种应激状态下的表达情况进行研究，也有利于发掘hsp70在抗逆抗病中的更多作用。

caspase属于细胞内大量分布的半胱氨酸蛋白酶家族，在细胞免疫过程中具有不可忽视的作用，它主要是通过将细胞外信号传递到细胞内从而引发细胞凋亡。研究发现，细胞凋亡相关的caspase基因在鱼类各组织中广泛表达，在参与机体的組织分化、器官系统发育、调节和维持自稳态等方面起到重要作用。作为效应凋亡基因的一种，caspase-3基因参与细胞凋亡信号的执行阶段，并且该基因会被机体内在和外在的凋亡路径激活，表明其在细胞凋亡通路上的执行阶段也发挥关键作用，但目前有关高温应激对该基因的表达影响研究较少，因此未来有必要更多地研究该基因在高温胁迫下机体内部的变化及对机体的调控过程。

本文整合了不同鱼类的热耐受性指标，从而对这些鱼类的耐热能力进行初步的判断，并对不同鱼类在热应激下hsp70基因以及caspase-3凋亡基因的表达变化进行了综述，对高温胁迫下不同鱼类对环境变化做出的应答及内部调控机制进行分析，旨在为今后鱼类耐高温品种的选育和提高鱼类耐高温能力提供参考。

参考文献：

[1]邵彦翔.石斑鱼对温度胁迫的耐受性研究[D].大连：大连海洋大学，2016.

[2]菅玉霞，潘雷，胡发文，等.温度和盐度对大泷六线鱼仔鱼存活与生长的影响[J].渔业科学进展.2012，33（5）：24-29.

[3]KIRM，SUNARMC，ALTINDAGBC.Thermaltoleranceandpreferedtemperaturerangeofjuvenilemeagreacclimatedtofourtemperatures[J].JournalofThermalBiology，2017，65（2）：125-129.

[4]BEITINGERTL，BENNETTWA，MCCAULEYRW.TemperaturetolerancesofNorthAmericanfreshwaterfishesexposedtodynamicchangesintemperature[J].EnvironmentalBiologyofFishes，2000，58（3）：237-275.

[5]王妤，宋志明，刘鉴毅，等.点篮子鱼幼鱼的热耐受特征[J].海洋渔业，2015，37（3）：253-258.

[6]CHATTERJEEN，PalAK，MANUSHSM，etal.ThermaltoleranceandoxygenconsumptionofLabeorohitaandCyprinuscarpioearlyfingerlingsacclimatedtothreedifferenttemperatures[J].JournalofThermalBiology，2004，29（6）：265-270.

[7]DALVIRS，PALAK，TIWARILR，etal.ThermaltoleranceandoxygenconsumptionratesofthecatfishHorabagrusbrachysoma（Günther）acclimatedtodifferenttemperatures[J].Aquaculture，2009，295（1-2）：116-119.

[8]张梅英，侯文礼，沙少国.梭鱼幼鱼热忍受温度的研究[J].生态学杂志，1999（2）：61-63.

[9]王云松，曹振东，付世建，等.南方鲇幼鱼的热耐受特征[J].生态学杂志，2008，27（12）;2136-2140.

[10]向祥.中华鳑鲏的热耐受特征[J].科学咨询（科技·管理），2015（33）：38-39.

[11]DENTL，LUTTERSCHMIDTWI.Comparativethermalphysiologyoftwosympatricsunfishes（Centrarchidae：Perciformes）withadiscussionofmicrohabitatutilization[J].JournalofThermalBiology，2003，28（1）.

[12]俞丹，沈中源，张智，等.温度驯化对尖头鳉热耐受特征的影响[J].水生生物学报，2017，41（3）：538-542.

[13]姜旭阳，董双林，刘骋跃，等.虹鳟和硬头鳟幼鱼对温度的耐受性[J].中国海洋大学学报（自然科学版），2019，49（03）：57-62.

[14]任中华，宋骏杰，刘永叶，曹亮.辽东湾4种海洋生物的热耐受性研究[J].渔业科学进展，2018，39（3）：1-10.

[15]南鸥.石岛湾常见游泳动物的热耐受性研究[D].中国科学院大学（中国科学院海洋研究所），2017.

[16]汪锡钧，吴定安.几种主要淡水鱼类温度基准值的研究[J].水产学报，1994，18（2）：93-100.

[17]崔雯婷，宋骏杰，田洪林，等.黄茅海五种常见海洋生物的热耐受性[J].水产学报，2018，42（4）：522-533.

[18]琳璟，王国良.鱼类hsp70研究进展[J].宁波大学学报（理工版），2007，20（4）：446-450.

[19]田照辉，徐绍刚，王巍，等.急性热应激对西伯利亚鲟hsp70mRNA表达、血清皮质醇和非特异性免疫的影响[J].水生生物学报，2013，37（2）：344-350.

[20]林亚秋.鲤鱼hsp70基因组织表达差异研究[J].安徽农业科学，2009，37（11）：4915-4916，5077.

[21]明建华，谢骏，刘波，等.团头鲂hsp70cDNA的克隆、序列分析以及热应激对其mRNA表达的影响[J].中国水产科学，2009，16（5）：635-648.

[22]周朝伟，胡续雯，雷骆，等.热应激对银鲫生化指标和hsp70mRNA表达的影响[J].渔业科学进展，2018，39（6）：65-71.

[23]强俊，杨弘，王辉，等.急性温度应激对吉富品系尼罗罗非鱼（Oreochromisniloticus）幼魚生化指标和肝脏hsp70mRNA表达的影响[J].海洋与湖沼，2012，43（5）：943-953.

[24]苏岭，李绍戊，王荻，等.半定量RT-PCR方法检测热应激对鲫鱼肝脏中hsp70mRNA含量的影响[J].华北农学报，2010，25（S1）：100-104.

[25]OJIMAN，YAMASHITAM，WATABES.QuantitativemRNAexpressionprofilingofheat-shockproteinfamiliesinrainbowtroutcells[J].BiochemicalandBiophysicalResearchCommunications，2005，329（1）：51-57.

[26]KABAKOVAE，BUDAGOVAKR，BRYANTSEVAL，etal.Heatshockprotein70orheatshockprotein27overexpressedinhumanendothelialcellsduringposthypoxicreoxygenationcanprotectfromdelayedapoptosis[J].CellStress&Chaper，2003，8（4）：335-347.

[27]張碧云.温度胁迫对贻贝的影响：血细胞变化以及caspase-3/7和p38-MAPK的反应[D].厦门：集美大学，2018.

[28]孙盛明，朱健，戈贤平，等.团头鲂（Megalobramaamblycephala）caspase-3基因克隆及其在高温胁迫中的表达分析[J].基因组学与应用生物学，2017，36（10）：4090-4099.

[29]陆健，张佳佳，周国勤，等.急性高温胁迫对大口黑鲈“优鲈3号”肝脏凋亡相关酶活性和基因表达的影响[J].淡水渔业，2021，51（2）：81-86.

[30]YABUT，TODORIKIS，YAMASHITAM.Stress-inducedapoptosisbyheatshock，UVandγ-rayirradiationinzebrafishembryosdetectedbyincreasedcaspaseactivityandwholemountTUNELstaining[J].FisheriesScience，2001，67（2）：333-340.

[31]TAKLEH，MCLEODA，ANDERSENO.Cloningandcharacterizationoftheexecutionercaspases3，6，7andhsp70inhyperthermicAtlanticsalmon（Salmosalar）embryos[J].CompBiochemPhysiolPartBBiochemMolecularBiol，2006，144（2）：188-198.

[32]YABUT，ISHIBASHIY，YAMASHITAM.StressinducedapoptosisinlarvalembryosofJapaneseflounder[J]FishSci，2003，69（6）：1218-1223.

[33]RICHTER-LANDBERGC，GOLDAUMO.Stressproteinsinneuralcells：functionalrolesinhealthanddisease[J].CellularandMolecularLifeSciences，2003，60（2）：337-349.

Researchprogressofheatstressongenehsp70andcaspase-3infish

ZHANGHuakun，WANGGuan，WANGXiuli

（CollegeofFisheriesandLifeScience，DalianOceanUniversity，Dalian116023，China）

Abstract：Theadaptationoffishtotemperaturevariesdependingontheirspeciesasaresultoflong-termevolutionandevolution.Inthisarticletwoheattoleranceindices-theuppercriticaltemperatureandtheinitialhighlethaltemperature，aswellasheatresistancerelatedgeneexpressionofdifferentkindsoffishweresummarized.Anditwasfoundthattheimportantfactorsaffectingthethermaltoleranceoffisharethebasalwatertemperatureandtherateoftemperatureincrease，aswellasthephysiologyandgeneticsoftheorganisms，andthenthethermaltoleranceofdifferentfishwasgrasped，genehsp70andcaspase-3apoptosis-relatedgenesthatweresignificantlydifferentiallyexpressedunderhightemperaturestresswereanalyzedanddiscussed，itwasfoundthatheatstresscausedasignificantincreaseintherateofhsp70synthesisinfishtoimprovetheirstressresistance，andalsocausedgenecaspase-3tobeactivatedandinducedapoptosis.

Keywords：fish;thermaltolerance;genehsp70;genecaspase-3

（收稿日期：2021-10-31）