云刺海胆（Heliocidaris crassispina）在定居和变态过程中，基于蛋白质组学技术的GPCR表达分析

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Stage-resolved transcriptomic analysis of GPCR expression during settlement and metamorphosis in the sea urchin Heliocidaris crassispina

　　

Jinyue Jia|Lifei Ge|Kaiwen Ding|Jingtao Yang|Jixiu Wang|Jieyang Weng|Jingwen Yang|Tianming Wang

国家海洋微生物资源探索与利用工程实验室，浙江海洋大学海洋科学技术学院，中国浙江省舟山市，316022

摘要

卵海胆的幼体定居和变态是重要的发育阶段，也是水产养殖中的主要瓶颈。本研究利用阶段特异性转录组测序技术，分析了紫海胆Heliocidaris crassispina在定居和变态过程中的全基因组基因表达动态，重点关注G蛋白偶联受体（GPCRs）。基于精细的染色体级基因组注释，鉴定出763个GPCR候选基因，并系统地研究了六臂幼体、八臂可定居幼体及早期幼体的表达模式。转录组分析显示，这些基因的表达存在明显的阶段依赖性变化：可定居幼体阶段GPCR的表达显著增加。时间序列聚类分析发现了两种主要的GPCR表达模式：一种与可定居阶段相关，其特征是短暂或峰值形的表达上调；另一种在定居后更加明显，并在早期幼体中保持高表达水平。蛋白质-蛋白相互作用（PPI）网络分析进一步表明，这些时间模式与协调的网络组织相关，而不仅仅是孤立的受体水平变化。代表性的GPCR表达模式通过qRT-PCR得到了独立验证。这些结果为了解卵海胆定居和变态过程中的GPCR表达动态提供了基于阶段的转录组框架，为未来棘皮动物的功能研究奠定了基础。

引言

紫海胆Heliocidaris crassispina是一种在华南沿海水域广泛分布的生态和经济上重要的棘皮动物（Shang等人，2014年）。与其他棘皮动物类似，其生命周期包括从浮游性幼虫（pluteus larva）到定居后的底栖幼体的变态过程（Cameron和Hinegardner，1978年）。变态涉及广泛的生理、生化和形态重构（Burke，1983年），并且是养殖生产中的主要瓶颈，因为幼体在可定居和定居窗口期间对环境条件非常敏感（Maboloc和Fang，2025年）。为了增进生物学理解并提高养殖性能，最近在基因组学、转录组学和单细胞技术方面的进展为H. crassispina提供了宝贵的资源，使得能够更详细地研究这些发育阶段的分子机制（Liu等人，2024年；Wang等人，2024年；Ge等人，2025a年）。

变态是多细胞生物中普遍存在的生命史策略（Laudet，2011年）。除了经典的两栖动物模型外，许多脊椎动物和海洋无脊椎动物都经历了由激素或环境调节的变态过程（Youson，2003年）。在诸如贻贝（He等人，2021年）、藤壶（Chen等人，2014年）、海绵（Degnan和Degnan，2010年）、鲍鱼（Kavousi等人，2022年）以及众多棘皮动物（Brundu等人，2016年）等海洋无脊椎动物中，变态将浮游扩散与底栖定居联系起来，促进了栖息地殖民和生态特化（Hadfield和Paul，2001年）。在棘皮动物中，这种转变尤为显著，表现为从两侧对称的幼虫阶段向五辐射对称的成体阶段的转变（Morris，2007年）。在不同物种中，变态过程需要外部环境信号与内部发育和生理状态的精确整合（Bishop和Brandhorst，2003年）。

在动物界中，变态受到不同分子机制的调控。在脊椎动物中，甲状腺激素通过核甲状腺激素受体（TRs）调控大规模的发育重编程（Tata，1998年；Shi，2009年）。相比之下，许多无脊椎动物主要依赖膜受体感知的环境信号，这些受体激活神经内分泌和细胞内信号级联反应来启动变态（Zimmer和Butman，2000年；Heyland和Moroz，2006年）。G蛋白偶联受体（GPCRs）具有七个跨膜结构域，构成了多细胞生物中最大和最多功能的信号转导系统之一，在神经传导、化学感觉和发育调控中起核心作用（Rosenbaum等人，2009年；Katritch等人，2013年；Cheng等人，2023年）。

越来越多的证据表明，GPCR介导的信号传导在无脊椎动物的变态过程中具有广泛的保守性。多巴胺能和5-羟色胺能受体调节柱头海鞘Phallusia mammillata的变态启动（Zega等人，2005年）。GABA能和单胺能信号诱导双壳类动物的定居（García-Lavandeira等人，2005年），Octopamine受体调节藤壶的附着行为（Lind等人，2010年），而5-HT和多巴胺等神经活性化合物促进珊瑚的定居（Moeller等人，2019年）。在棘皮动物中，组胺和GABA参与调控其可定居性和定居过程（Pearce和Scheibling，1990年；Sutherby等人，2012年）。值得注意的是，这些信号通路通常表现出明显的阶段特异性和短暂性的激活模式，这表明变态调控可能不仅仅依赖于孤立的受体作用，而是涉及多个GPCR信号通路在定义好的发育阶段的协调参与。先前的研究进一步强调了单胺能和神经肽能GPCR信号在连接环境信号与内在发育程序中的重要作用（Conzelmann等人，2013年；Joyce和Vogeler，2018年；Strader等人，2018年）。在棘皮动物中，GPCRs还参与了多种生理过程，包括生殖腺发育和季节性生理变化，这进一步支持了它们作为连接细胞外信号与细胞内调控的受体系统的广泛相关性（Huang等人，2021年；Ge等人，2025b）。然而，尽管卵海胆的变态具有重要的生态和水产养殖意义，但特别是在H. crassispina中，GPCR调控的系统级别组织和时间动态仍 largely 未被探索。

为了解决这一问题，选择了三个关键阶段进行研究：六臂幼体阶段作为定居前的预可定居阶段，八臂可定居幼体阶段作为定居和变态之前的发育窗口，以及幼体阶段作为变态后的早期阶段。通过全基因组注释、发育转录组分析和靶向qRT-PCR验证，研究了H. crassispina的GPCR谱系及其在这些转变过程中的阶段依赖性表达模式。特别探讨了卵海胆定居和变态过程中的GPCR表达是应该理解为孤立的受体水平变化，还是更广泛的相关阶段模式。因此，本研究为未来关于GPCR参与幼体定居和变态转变的功能研究提供了转录组框架。

章节片段

样本采集和发育分期

2023年9月，从中国浙江省舟山市东矶岛采集了成年H. crassispina，并在浙江省海洋养殖与增殖重点实验室（舟山市）进行饲养。水温维持在26±0.5°C，盐度保持在28至30‰之间，每天进行换水。动物被喂食新鲜的海带（Saccharina japonica）以维持其生殖腺状态。从成年H. crassispina（80±10克）中获取了配子

转录组测序和数据质量评估

共生成了九个RNA-seq文库，包括六臂幼体、八臂可定居幼体和早期幼体的三个生物学重复样本。经过质量控制后，每个文库产生了超过5.6 Gb的清洁数据。所有样本的平均Q30分数超过93.20%，平均GC含量为43.46%。与H. crassispina参考基因组的比对映射率超过74.99%，证实了测序数据的高质量（表1）。

讨论

结论

本研究描述了H. crassispina的全基因组GPCR谱系，并表明其在定居和变态过程中的表达呈现出明显的时间模式，而不是在整个发育过程中均匀变化。通过结合精细的基因组注释和发育转录组分析，我们识别出一组主要与可定居阶段相关的GPCR，以及另一组在变态后变得更加显著的GPCR。这些发现提供了

CRediT作者贡献声明

Jinyue Jia：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，正式分析，数据管理。Lifei Ge：撰写 – 审稿与编辑。Kaiwen Ding：验证。Jingtao Yang：验证。Jixiu Wang：撰写 – 审稿与编辑。Jieyang Weng：撰写 – 审稿与编辑。Jingwen Yang：撰写 – 审稿与编辑，概念构建。Tianming Wang：撰写 – 审稿与编辑，方法学，概念构建。

伦理声明

本研究符合伦理规范，所有实验均遵循相关机构和国家的实验室动物护理和使用指南进行。

作者声明他们没有利益冲突。

本研究得到了山东省重点研发计划（2025LZGC038）和浙江省Strongylocentrotus intermedius越冬技术项目（SSHX202512001）的支持。