脊椎动物早期进化中瘦素受体与IL-6受体亚基b的分化及七鳃鳗生理学新见解

本研究首次在无颌类脊椎动物七鳃鳗中发现瘦素受体样序列(LepRL)和三个IL-6受体亚基b样序列(IL6RBL)，通过结构、系统发育和同线性分析揭示了它们在脊椎动物全基因组复制(1R和2R)中的分化起源。研究发现LepRL在摄食、变态发育和海水适应中发挥重要作用，为理解脊椎动物细胞因子受体的早期进化及瘦素信号系统的功能保守性提供了新视角。

　　

在生命科学领域，瘦素(leptin)和白细胞介素-6(IL-6)家族细胞因子的受体系统一直是研究热点，但相关认知主要来自有颌类脊椎动物(gnathostomes)的研究。这些受体在无颌类脊椎动物(cyclostomes)中的起源和进化过程仍是个未解之谜。更令人困惑的是，尽管在果蝇等无脊椎动物中发现了单个细胞因子受体样跨膜蛋白(domeless; Dome)，但在被囊动物、头索动物或无颌类动物的基因组注释中却始终未能识别出瘦素及其受体。这种认知空白使得科学家们对脊椎动物细胞因子信号系统的早期演化充满好奇。

德克萨斯理工大学等机构的研究人员选择七鳃鳗(Petromyzon marinus)作为模式生物，这项发表在《Molecular Biology and Evolution》的研究取得了突破性发现。研究团队首次在七鳃鳗基因组中鉴定出瘦素受体样序列(LepRL)和三个IL-6受体亚基b样序列(IL6RBL)，通过多维度分析揭示了这些受体在脊椎动物早期进化中的分化历程，并阐明了它们在七鳃鳗生理调控中的重要作用。

研究采用了多种关键技术方法：通过TBLASTN基因组搜索和RT-PCR克隆获得受体序列；运用最大似然法进行系统发育分析；基于染色体定位和邻近基因家族进行同线性分析；采用实时定量PCR(qPCR)检测基因表达模式；通过重组蛋白表达制备抗体并进行免疫组织化学定位。实验样本包括采集自自然环境的七鳃鳗幼虫、变态个体、幼体和成体，以及进行摄食和海水适应实验的幼体。

研究结果部分：
分子进化分析显示，七鳃鳗LepRL虽然与有颌类LepR的氨基酸同源性低于28%，但保留了所有关键功能域，包括免疫球蛋白样(Ig)结构域、细胞因子受体同源(CRH)结构域、纤连蛋白III型(FN3)结构域，以及包含JAK结合盒(JAK box)和C端酪氨酸残基(特别是STAT激活所需的YXPQ基序)的胞内区。与有颌类LepR不同，七鳃鳗LepRL仅含单个CRH结构域，但保留了第三个FN3结构域。

系统发育和同线性分析表明，七鳃鳗LepRL与有颌类LepR可能起源于不同的1R前体基因。在脊椎动物共同祖先中，瘦素受体和IL-6受体相关基因可能通过两次全基因组复制(WGD)事件分化，其中七鳃鳗在cyclostome-specific hexaploidization(六倍化)后保留了三个IL6RBL基因，而有颌类则在tetraploidization(四倍化)后产生了更多IL6RB旁系同源基因。

组织表达谱分析发现，LepRL mRNA在垂体、头肾和血细胞中高表达，在脑、鳃等组织中中度表达，而在肝脏中表达量最低。三种IL6RBL呈现差异表达模式：IL6RBL1在脑和肝脏高表达，IL6RBL2主要在肝脏表达，IL6RBL3在各组织广泛表达。这种组织特异性暗示这些受体可能介导不同的生理功能。

在变态发育过程中，肝脏LepRL mRNA水平在变态中期(2-4期)显著升高，而IL6RBL1表达则逐渐降低。鳃组织中IL6RBL2和IL6RBL3在变态起始时显著上调，表明这些受体可能参与调控变态相关的代谢重组和鳃功能重塑。

摄食实验显示，摄食显著刺激了肝脏LepRL、IL6RBL1和IL6RBL2的表达，且肝脏LepRL和IL6RBL1表达与胰岛素样生长因子(IGF)呈正相关。有趣的是，脑部LepRL和IL6RBL1表达与神经肽Y(NPY)呈正相关，但与肠道内容物含量呈负相关，提示瘦素信号系统可能参与能量平衡调节。

海水适应实验中，海水暴露14天显著提高了鳃LepRL表达，并与离子转运蛋白基因(ATP1B3、NHE3和SLC12A2.2)表达呈正相关。免疫组化证实LepRL蛋白在鳃离子细胞中富集，暗示其可能通过调节离子转运参与渗透调节。

这项研究得出几个重要结论：首先，瘦素受体和IL-6受体相关基因的分化可追溯至脊椎动物干群，七鳃鳗保留了这些受体的原始特征；其次，尽管七鳃鳗LepRL与有颌类LepR结构存在差异且起源不同，但它们在信号转导和生理功能上可能具有相似机制；最后，瘦素信号系统在七鳃鳗中显示出多效性功能，包括调控能量平衡、摄食行为和海水适应等，这些功能在脊椎动物中具有惊人的保守性。

该研究的科学意义在于：解决了关于脊椎动物细胞因子受体早期进化的长期争议；为理解瘦素信号系统的功能演化提供了新视角；揭示了七鳃鳗作为原始脊椎动物模型在研究能量代谢和渗透调节进化中的独特价值。这些发现不仅丰富了进化发育生物学的内容，也为研究代谢性疾病的分子机制提供了新的进化线索。