杜卫国/赖仞/杨仕隆联合团队揭示乌龟胚胎行为热调节的分子温度计

  适宜体温是动物维系摄食、呼吸、代谢、发育和繁殖等基本生命活动的前提与保障。行为性热调节是外温动物体温调节的主要途径,例如在爬行动物中常见的晒背、阴阳穿梭等行为1。前期研究发现行为热调节并非是自由活动的成体所特有,胚胎也能在卵内有限的空间选择适宜的温度区域2,3,同时胚胎的行为热调节能够影响后代性比,并缓冲气候变化引起的性别偏移4。尽管明确了爬行动物胚胎能够进行行为热调节,且在响应热源时有明显的温度阈值偏好,但早期胚胎感知温度变化的机制尚不明确。

  2021年5月19日,心得棋牌杜卫国研究员团队联合中国科学院昆明动物所赖仞研究员团队和东北林业大学杨仕隆教授团队在Current Biology杂志在线发表了题为“Molecular sensors for temperature detection during behavioral thermoregulation in turtle embryos”的研究论文。该研究结合分子克隆、生物化学、行为学、电生理和药理学等多种研究手段,发现乌龟胚胎的行为热调节是依赖于温度门控瞬时电位受体TRPA1和TRPV1精巧的功能平衡,揭示了爬行动物胚胎时期独特的温度感知分子机制。

  研究人员测定了乌龟胚胎及其背根神经节(DRG)中初级感受神经元的温度阈值,发现与胚胎热偏好温度阈值一致的两类热敏神经元,表明在初级感觉神经元中至少存在两个分子感受器,其激活温度大致为28°C和33°C (图1A, 1B)。进一步研究发现在乌龟胚胎DRG中TRPA1和TRPV1的表达水平较高,通过膜片钳实验确定乌龟TRPA1和TRPV1的热激活阈值,分别为28.0 ± 0.2℃和32.9 ± 0.3℃ (图1C)。研究人员进而使用激光纤维对胚胎脊柱直接局部加热,通过控制局部温度来观察乌龟胚胎的瞬时行为。当局部温度达到TRPA1阈值之上时,乌龟胚胎产生了显著的慢速运动频率;而当温度超过TRPV1阈值时,乌龟胚胎产生快速的运动频率(图1D)。这些结果提示TRPA1和TRPV1可能分别调控了胚胎行为热调节中 “趋近温和热源”和“躲避伤害性热刺激” 的两种行为。

  研究人员进一步发现辣椒素和4-氨基联苯胺盐酸盐(4-A) 是乌龟TRPA1的特异性激活剂,TCS5861528(TCS)是特异性抑制剂;辣椒素和辣椒平则是TRPV1的特异性激活和抑制剂。滴加TRPA1化学激动剂4-A时,胚胎向加药点显著靠近;反之,若滴加TRPV1化学激动剂辣椒素,胚胎则显著远离加药点(图1E)。而在单侧加热实验中,乌龟TRPA1抑制剂TCS成功阻断了胚胎向28℃靠近,乌龟TRPV1抑制剂辣椒平成功抑制了胚胎远离33℃热源的行为(图1F)。综上所述,乌龟TRPA1和TRPV1是胚胎行为热调节过程中感知温度变化的关键离子通道。TRPA1用于感受温和热刺激(28-32℃)并帮助乌龟胚胎向热源移动,而当温度进入伤害性热刺激范围时(>32℃),TRPV1激活并帮助乌龟胚胎远离热源。因此,在胚胎行为热调节中,TRPA1和TRPV1形成了一个无缝连接的生理分子温度计用于感受温度变化(图1G)。

  心得棋牌杜卫国研究员、中国科学院昆明动物研究所赖仞研究员和东北林业大学杨仕隆教授为该论文的共同通讯作者,心得棋牌博士后叶银子、中国科学院昆明动物研究所张浩博士以及东北林业大学李佳梦博士为共同第一作者。该研究得到了中国科学院战略先导B项目和国家自然科学基金项目等的支持。

1 化学干预与乌龟胚胎移动

  文章链接:https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.04.054

  1 Angilletta, M. J. Thermal adaptation: A theoretical and empiricial synthesis. (xford University Press, 2009).

  2 Zhao, B., Li, T., Shine, R. & Du, W. G. Turtle embryos move to optimal thermal environments within the egg. Biology letters 9, 20130337, doi:10.1098/rsbl.2013.0337 (2013).

  3 Du, W. G., Zhao, B., Chen, Y. & Shine, R. Behavioral thermoregulation by turtle embryos. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108, 9513-9515, doi:10.1073/pnas.1102965108 (2011).

  4 Ye, Y. Z. et al. The embryos of turtles can influence their own sexual destinies. Current biology : CB 29, 2597-2603 e2594, doi:10.1016/j.cub.2019.06.038 (2019).

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