高温条件下5-HT对中华绒螯蟹眼柄神经内分泌系统的抑制调控机制

《Aquaculture》：Inhibitory regulatory mechanism of 5-HT on the eyestalk neuroendocrine system of Eriocheir sinensis under high temperature

　　

摘要：随着全球气候变暖以及中国多养模式的不断发展，高温作为一个关键环境因子，对外温性水生生物的生理稳态和生存适应产生了深远影响。然而，外温动物适应高温的具体机制仍不明确。我们发现中华绒螯蟹的眼柄神经内分泌系统对高温作出反应。本研究首次鉴定出位于中华绒螯蟹眼柄内窦腺上方的一簇细胞。该细胞簇对高温作出响应，并表现出与5-羟色胺（5-HT）合成和囊泡运输相关的分子特征。5-HT通过降低细胞内钙信号强度、F-肌动蛋白含量以及FM4-64标记的囊泡数量来调节XO-SG（X-器官-窦腺）功能，从而影响眼柄中神经肽激素的合成和释放。相比之下，我们发现Es5-HT7R激活了XO-SG中的细胞内cAMP-PKA信号通路，从而增强CHH的表达，这在一定程度上缓解了5-HT的抑制效应。我们的结果表明，眼柄神经内分泌系统在中华绒螯蟹的高温应答中发挥着关键作用，Es5-HT7R可能作为参与维持神经内分泌稳态的补偿性调节因子发挥作用。

引言：温度作为一种关键环境因子，对地球上所有生物的生存、发育和繁殖产生深远影响（McKemy, 2007; Ma等, 2017; Miki等, 2020）。生物体感知和响应温度波动的能力，是维持内稳态和动态环境中优化能量分配的基本前提（Tattersall等, 2012）。随着全球变暖的不断加剧，深入了解具有不同温度调节模式的生物的感温机制和高温适应策略具有重要的科学意义和紧迫的实际需求。恒温动物通过内源性代谢产热来维持相对稳定的体温。下丘脑作为体温调节的中央调节器，整合皮肤热感受器和核心温度传感器的信号，并通过神经内分泌途径精确调节产热和散热（Tan和Knight, 2018; Feng等, 2022）。当环境温度升高时，恒温动物启动一系列适应性反应：外周血管舒张增强散热（Cramer和Jay, 2016），行为体温调节（如寻找阴凉处和减少活动）降低热负荷，热休克蛋白的快速上调则稳定变性蛋白的结构和功能（Hunter-Manseau等, 2025）。长时间热暴露还可进一步诱导线粒体功能的适应性调整以及细胞膜脂质组成的改变（Von Schulze等, 2021）。与恒温动物不同，变温动物的体温随环境条件波动，其生理过程直接受环境温度制约（Abram等, 2017）。昆虫等节肢动物依靠热感受器（瞬时受体电位通道家族）检测环境热信号，并通过行为体温调节（定向运动和微生境选择）将体温维持在最优范围内（Seebacher和Murray, 2007; Gracheva等, 2010）。

近年来，在气候变化影响下，长江流域夏季极端高温事件发生的频率越来越高，对水生生态系统构成了严峻挑战。作为具有代表性的水生节肢动物，甲壳类是研究感温机制的重要模式生物，相关研究对于阐明水生变温动物对高温的适应策略具有重要意义。作为变温动物，甲壳类在面临热挑战时通常采用行为策略来避免高温胁迫（Lagerspetz和Vainio, 2006）。研究表明，在极端热胁迫下，颗粒新尖额蟹会离开水生环境进入空气中，并保持不动以减少脱水和代谢速率，从而也降低体温（Halal等, 2020）；招潮蟹则通过退入洞穴降低体温或通过蒸发水分散热的应激来应对高温（Mat等, 2017; Mathewson等, 2023）。然而，当行为调节不足以完全缓解高温胁迫时，甲壳类必须依赖细胞和分子应答机制来维持内稳态。例如，当环境温度超过生物体的耐受阈值时，甲壳类中的热休克蛋白（HSP）家族成员会显著上调。这些分子伴侣通过促进变性蛋白的重折叠、防止蛋白聚合并维持蛋白质稳态来增强热耐受性（Wang等, 2026）。研究表明，在高温条件下，凡纳滨对虾鳃中HSP70和HSP90基因的表达上调，这对于维持鳃的功能完整性至关重要（Ulaje等, 2020）。热胁迫诱导罗氏沼虾中Hsp70从细胞质向细胞核转位。其核定位可能与保护核糖体功能、修复热变性蛋白以及参与RNA加工有关（Muthuswamy等, 2018）。在急性热胁迫下，包含HSP60、HSP70和HSP90在内的热休克蛋白家族成员在日本对虾的肝胰腺、肌肉和鳃中持续上调（Zhang等, 2023）。同时，高温诱导的氧化应激是甲壳类面临的另一大挑战。为对抗细胞内活性氧（ROS）的爆发，甲壳类激活抗氧化防御系统，包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和谷胱甘肽S-转移酶（GST）等抗氧化酶的协同作用，从而清除过量自由基，减少脂质过氧化和DNA损伤（Duan等, 2025; Papadopoulos等, 2025）。不同甲壳类物种对高温的应答各异。作为中国重要的经济蟹种，中华绒螯蟹的耐热适应机制引起了广泛关注。该物种自然分布于长江和辽河等流域（Sui等, 2011），对水温波动高度敏感。先前的研究表明，当水温超过30°C时，中华绒螯蟹的死亡率迅速升高（Peng等, 2019）。然而，关于中华绒螯蟹如何感知温度变化及其适应性调控机制的系统深入研究仍然有限。阐明中华绒螯蟹的感温分子基础、热胁迫下的生理应答特征以及适应性调控机制，将有助于更好地理解甲壳类的热适应，并进一步推动我们对高温条件下神经内分泌应答的认识。这些发现将为优化养殖条件提供理论基础和技术支撑，并为养殖实践中的高温风险管理和环境调控策略提供有价值的参考。

在应对环境胁迫时，甲壳类通常激活复杂的神经内分泌系统，其中生物胺（多巴胺和5-HT）作为关键神经递质和调节因子，在维持代谢稳态中发挥着至关重要的作用。5-HT又称血清素，以前体底物L-色氨酸合成。在色氨酸羟化酶（TPH）的催化下，L-色氨酸羟基化为5-羟色氨酸（5-HTP）（Huang等, 2026），随后被芳香族L-氨基酸脱羧酶（AADC）脱羧生成5-HT（Watts等, 2012）。作为重要的生物活性分子，5-HT广泛分布于脊椎动物和无脊椎动物的中枢神经系统、外周组织和各种体液中（G?thert等, 2020），参与调节多种生理过程。

在哺乳动物中，5-HT发挥多样的生理调节功能。它不仅参与介导对环境变化的适应性和反应，包括睡眠、认知、记忆和摄食行为（Seyedabadi等, 2014; Kamal等, 2015; Vaccaro等, 2023），还参与肠道中褪黑素的产生，而褪黑素反过来可以影响5-HT的再摄取（MacEachern等, 2018）。此外，据报道5-HT还具有降血糖效应（Chi等, 2007）。尽管5-HT常因其在高级神经活动中的作用而受到关注，但作为一种进化上高度保守的信号分子（Gullino等, 2024），其功能早已延伸至环境胁迫应答的调节。早在20世纪50年代，作为中枢神经递质的5-HT就发现会影响体温。然而，其潜在机制复杂且仍有争议。随着5-HT受体亚型的鉴定，不同受体可能介导相反的体温调节效应已变得清晰，这解释了早期研究中所报告的矛盾结果。目前在哺乳动物中已鉴定出七大类5-HT受体（5-HT1至5-HT7受体），每类包含多个亚型，总计14种不同受体。这些亚型主要根据其信号转导机制、药理学性质和分子结构特征进行分类（Hoyer等, 2002）。迄今为止，已在哺乳动物中鉴定出参与体温调节的5-HT受体亚型包括5-HT1A、5-HT2、5-HT3和5-HT7受体。在脊髓中，5-HT通过激活5-HT1A受体显著增强去甲肾上腺素能（NMDA受体介导的）交感神经对棕色脂肪组织的活性（Madden和Morrison, 2006; Madden和Morrison, 2008; Morrison和Nakamura, 2011）。这种效应与大脑中5-HT1A受体介导的低体温反应相反，表明中枢神经系统不同区域的5-HT1A受体发挥不同的生理调节功能。5-HT2受体的激活，特别是5-HT2A和5-HT2C受体亚型，引起体温升高，而抑制这些受体则导致体温降低。然而，这些体温调节效应背后的精确分子和神经环路机制仍未完全阐明（Gudelsky等, 1986; Mazzola-Pomietto等, 1995; Mazzola-Pomietto等, 1996）。5-HT3受体是5-HT受体中唯一的配体门控离子通道，可以快速使生物体进入低代谢、低体温状态（Lummis, 2012; Sharp和Barnes, 2020）。5-HT7受体是5-HT受体家族中最新鉴定的成员，也参与体温调节；它在特定生理条件下（缺氧和发热）被招募，以限制体温的过度升高或促进适应性低体温（Hedlund等, 2003; Hedlund和Sutcliffe, 2004）。

在甲壳类中，目前为止已鉴定出三种5-HT受体，包括5-HT1受体（Nakeim等, 2020）、5-HT2B受体（Pang等, 2021）和5-HT7受体（Pang等, 2019a）。现有研究主要关注5-HT在调节攻击行为、造血和对光周期适应中的作用。例如，5-HT作用于凡纳滨对虾的中枢神经系统诱发攻击行为（Liang等, 2023）。在小龙虾中，5-HT通过刺激血细胞释放细胞因子Ast1参与造血，从而影响新形成的血细胞释放入循环（Noonin, 2018）。此外，外源性给予5-HT于秀丽白滨虾可暂时逆转其强烈的避光行为为趋光行为，该过程由5-HT2受体介导（Perrot-Minnot等, 2013）。在中华绒螯蟹中，关于5-HT的研究主要集中在其在攻击行为中的作用（Pang等, 2025），其中5-HT通过cAMP-PKA信号通路诱发攻击行为（Yang等, 2019）。此外，据报道5-HT还影响中华绒螯蟹的附肢再生（Zhang等, 2019）。此外，5-HT和多巴胺均可在急性盐度胁迫下调节中华绒螯蟹游离氨基酸的产生和Na+/K+-ATPase的活性（Liu等, 2018）。

作为对环境胁迫做出早期响应的分子，生物胺浓度的波动往往触发一系列神经内分泌反应。在甲壳类中，眼柄具有环境感知和神经内分泌调节的双重功能，能够分泌多种神经肽激素（Chung等, 2010）以及生物胺（Christie等, 2018; Kotsyuba和Dyachuk, 2022），从而作为内分泌调节的中央器官（Christie, 2011）。在中华绒螯蟹中，眼柄视神经节位于复眼下方，由三个主要区域组成：外髓质、内髓质和终末髓质。X-器官（XO）位于视神经节的终末髓质中，由能够合成和分泌神经肽激素的神经内分泌细胞组成（De Kleijn和Van Herp, 1995）。作为激素合成的主要部位，XO通过神经纤维束与窦腺（SG）相连，形成XO-SG复合体。激素产物沿轴突运输至SG，并通过胞吐作用释放到神经体液腔中（Bao等, 2015）。

SG位于眼柄神经节表面，由轴突终末组成，作为神经血液器官，负责储存和释放由XO合成和分泌的激素。它与开放循环系统和血淋巴密切接触（Hopkins, 2012）。XO-SG复合体在调节血淋巴葡萄糖水平以及甲壳类动物关键生理过程中发挥重要作用，包括蜕壳、生长、摄食和生殖。它既能接收外部环境线索，也能接收内部生理信号，从而实现空间定位和环境评估，并调节代谢过程，从而赋予适应动态变化环境条件的能力（de Kleijn et al., 1992）。XO-SG复合体通过分泌关键激素，包括蜕壳抑制激素（MIH）、甲壳类高血糖激素（CHH）和性腺抑制激素（GIH），对甲壳类动物的蜕壳、能量分配和生殖发育进行精确调控。此外，XO-SG复合体在控制视网膜和色素细胞的色素迁移中也发挥重要作用（Milograna et al., 2016）。电刺激轴突可将信号传递至终端SG，导致激素分泌量相比对照组增加2至3倍（Keller et al., 1994）。该系统与脊椎动物的下丘脑-垂体轴相似，其中下丘脑整合内外环境信号并产生反应，调节垂体激素的释放。然而，迄今为止，甲壳类动物如何通过特化的XO-SG神经内分泌系统将温度信号转导为内分泌信号仍不清楚。

在本研究中，我们旨在阐明中华绒螯蟹（E. sinensis）神经内分泌系统对高温的响应及其机体适应的潜在机制。我们的研究聚焦于眼柄XO-SG复合体这一关键神经内分泌器官，揭示了该复合体通过特定的细胞响应和信号通路协调机体对热应激的响应。结果表明，眼柄中新识别的一个细胞簇对高温刺激作出反应，并表现出与5-HT合成和释放相关的分子特征。进一步实验表明，5-HT相关信号和Es5-HT7R可能参与XO-SG神经内分泌功能的调节。5-HT可能通过XO-SG复合体中表达的相关受体发挥作用，从而抑制XO-SG中的钙信号、F-肌动蛋白组织和囊泡运输，最终导致眼柄中神经肽激素合成和分泌的下调。对Es5-HT7受体的进一步分析表明，其激活可以上调细胞内cAMP-PKA信号通路，进而促进神经肽激素的表达，部分缓解5-HT对眼柄的抑制作用。这一发现突出了5-HT在调节高温条件下神经肽激素合成和分泌中的双向调控作用。总体而言，本研究不仅证明5-HT是甲壳类动物高温响应中的关键信号分子，还阐明了眼柄如何通过神经内分泌级联反应参与热响应的细胞和分子通路。这些发现为变温动物环境适应的生理机制提供了新的见解，并为抗逆性育种和可持续水产养殖实践提供了潜在的理论基础。

章节片段

中华绒螯蟹的养殖

本研究中的中华绒螯蟹购自中国天津市宁河区螃蟹养殖基地。选取生理状况良好、活动水平高、附肢完整、无明显外伤或可见疾病迹象的幼体中华绒螯蟹用于实验（体重：10.3 ± 2.4 g）。实验前，选定的螃蟹在曝气自来水缸中驯化一周。在此期间，水温维持在18 ± 0.1°C。

高温加速了中华绒螯蟹的蜕壳过程并诱导血淋巴中5-HT含量增加

中华绒螯蟹的蜕壳活动表现出明显的季节性模式：夏季蜕壳频繁，但冬季明显减少。这已成为一个公认的天然现象。为了验证这一观察，我们首先确认了高温对中华绒螯蟹蜕壳的影响。在高温驯化期间，我们发现温度加速了中华绒螯蟹的蜕壳过程。从22°C到27°C，处于D0阶段的螃蟹数量增加。

讨论

本研究阐明了中华绒螯蟹眼柄中5-HT介导的神经内分泌调控机制。我们首次报告了位于SG上方一个新识别细胞簇在高温下的关键作用，并证明5-HT参与XO-SG调控，而Es5-HT7R可能作为一种补偿性通路参与缓解5-HT诱导的抑制。这些发现为变温动物如何感知和...（原文在此处中断）

CRediT作者贡献声明

李希：撰写——初稿，可视化，方法学，调查，数据整理。
段雅曦：可视化，方法学，调查，数据整理。
李然：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。
孙金生：监督，资源，项目管理，经费获取。

伦理声明

本研究按照以下动物福利和/或报告指南进行：遵循了机构水生动物护理和使用指南。

无需伦理委员会批准。本研究无需伦理委员会批准，因为涉及用于水产养殖研究的甲壳类动物，不涉及脊椎动物或在机构指南下需要伦理批准的程序。

资金来源

感谢天津市科技计划项目（24ZXZYSN00030）提供的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

李希|段雅曦|李然|孙金生
天津师范大学生命科学学院，动植物抗性天津市重点实验室，中国天津