节肢动物血蓝蛋白家族的组成与演化

文章编号　：１００４－０３７４（２０１１）０１－０１０６－０９

收稿日期：2010-07-22；修回日期：2010-09-17基金项目：国家自然科学基金项目(30630010，30870282，31071911)

＊通讯作者：E-mail ：yxluan@ ；Tel ：021-********

节肢动物血蓝蛋白家族的组成与演化

谢　维，栾云霞＊

(中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，昆虫发育与进化生物学重点实验室，上海200032)

摘　要：血蓝蛋白是动物界的三类呼吸功能蛋白之一，目前仅发现于节肢动物和软体动物等少数动物类

群中。不同亚型的血蓝蛋白有不同的理化性质和序列，但均结合氧分子，并以六聚体，甚至更复杂的聚合体结构存在。血蓝蛋白与酚氧化酶、拟血蓝蛋白、昆虫储存蛋白以及昆虫储存蛋白受体等结构类似、进化上近缘的分子共同组成了血蓝蛋白超家族。该文主要介绍了血蓝蛋白家族成员在节肢动物四大类群(螯肢动物、多足动物、甲壳动物和六足动物)中已知的分布、结构和功能，并重点综述了血蓝蛋白家族成员在节肢动物系统演化研究中发挥的独特而有效的作用，进一步强调了在更多节肢动物类群中研究血蓝蛋白家族的功能和演化的重要性。

关键词：节肢动物；血蓝蛋白；酚氧化酶；拟血蓝蛋白；昆虫储存蛋白；昆虫储存蛋白受体；分子演化

中图分类号：Q959. 22；Q51；Q966 文献标识码：A

Members of the arthropod hemocyanin superfamily and their evolution

XIE Wei, LUAN Y un-Xia*

(Key Laboratory of Insect Developmental and Evolutionary Biology, Institute of Plant Physiology and Ecology,

Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200032, China)

Abstract: Hemocyanin, occurring only in minority animal groups including some arthropod and mollusk species,is one of the three kinds of respiratory proteins in animal kingdom. Different hemocyanin subunits have distinct physico-chemical properties and sequences respectively, but share the behavior of oxygen-binding and the structure of hexamers or even more complex multi-hexamers. Besides hemocyanins, the hemocyanin superfamily includes four other classes of proteins with similar structures and closely related phylogenic relationships:phenoloxidases, cryptocyanins, hexamerins and hexamerin receptors. Here we summarize the distribution,structure and function of hemocyanin superfamily members in the four major groups of euarthropods (Chelicerata,Myriapoda, Crustacea and Hexapoda), and especially review their distinct and valuable contributions in the study of arthropod evolution. Finally, we suggest the significance of further exploring the function and evolution of hemocyanin superfamily members in more arthropod groups.

Key words: Arthropoda; hemocyanin; phenoloxidase; cryptocyanin; hexamerin; hexamerin receptor; molecular evolution

几乎所有的生物都需要氧气来支持它们的新陈代谢。空气和水中富含氧气，可以通过体壁扩散的方式向生物体传输，但是当生物演化中个体增大时，就需要引入进一步的输氧机制了，这是生物界循环系统将氧气由摄取部位传输到全身的基本进化策略。动物是通过增加呼吸面积，以及引入亲和氧

气的载体分子的方式来实现这一点的。当生物体表

107第１期谢　维，等：节肢动物血蓝蛋白家族的组成与演化

面为表皮所覆盖，并采用血淋巴或血液构成的循环系统时，这些策略就更为必要。鳃和肺进化出来的效果便是增加呼吸面积。真节肢动物大都拥有呼吸器官，只有一些个体微小的物种缺失[1]。

在动物界迄今只发现了三类能结合金属离子并作为亲和氧气载体的呼吸功能蛋白：血赤藓素(hemerythrins, Hrs)、血红蛋白(hemoglobins, Hbs；俗称血色素)和血蓝蛋白(hemocyanins, Hcs)。血赤藓素被发现于三类小的原口动物(protostome)：星虫动物门(Sipuncula)、腕足动物门(Brachiopoda)和鳃曳动物门(Priapulida)，以及环节动物门(Annelida)和细菌中[2]。血红蛋白是一类非常古老的分子，在生物圈中的分布相当广泛，在原核生物、真菌、动物和植物中均有发现[3]。

与血红蛋白相比，血蓝蛋白的分布非常局限，目前仅发现于一些节肢动物和软体动物的血淋巴中。另外，在有爪动物中也发现了一个可能的血蓝蛋白[4,5]。节肢动物和软体动物的血蓝蛋白均属铜离子结合蛋白，两者有类似的铜离子结合中心，但在序列和主要的结构特征上并没有明显的相似性，因此它们很可能有不同的起源，并不存在系统发生学上的联系[6-8]。节肢动物血蓝蛋白的独立发生为节肢动物的单系性提供了一个有力证据，而通过对血蓝蛋白基因的进化研究，也为探讨节肢动物各类群之间的系统发生关系提供了有价值的分子佐证。

１　节肢动物血蓝蛋白的分布

血蓝蛋白在节肢动物四大类群(螯肢动物Cheli-cerata、多足动物Myriapoda、甲壳动物Crustacea 和六足动物Hexapoda)中都有分布。

螯肢动物中，血蓝蛋白较早发现于蜘蛛类(蛛形纲)、剑尾类(鲎)和蝎类中[8]。多足动物有气管系统，因而曾经认为特化的呼吸蛋白在这个类群中并非必需[9]。然而，蜈蚣类的两种蚰蜒(Scutigera longi-cornis和S. coleoptrata)中被分别推测和证实存在血蓝蛋白[10,11]，倍足纲异蛩科(Spirostreptidae)中也发现了血蓝蛋白的存在[12]。在甲壳动物中，血蓝蛋白一直被认为只存在于软甲亚纲(Malacostraca)中 [13]，但最近在桨足纲中也发现了血蓝蛋白[14]。

与多足动物一样，具有气管系统的六足动物曾一度也被认为不需要专门的呼吸蛋白。但是，近几年在很多较低等的昆虫类群中均发现了血蓝蛋白，说明其在昆虫中存在的广泛程度远远超乎此前的认识[15-18]。血蓝蛋白在弹尾纲(Collembola)、石蛃目(Archaeognatha)、衣鱼目(Zygentoma)、襀翅目(Plecoptera)、直翅目(Orthoptera)、目(Phasmida)、革翅目(Dermaptera)、等翅目(Isoptera)和蜚蠊目(Blattodea)等表变态和半变态六足动物中普遍存在，但似乎在全变态类群中发生丢失，与血红蛋白在昆虫中的分布呈现某种互补性(图1)。对黑腹果蝇以及其他果蝇类(dr osophilids)、意大利蜜蜂(Apis mellifera)、赤拟谷盗(Tribolium castaneum)、埃及伊蚊(A edes aegypti)和家蚕(Bombyx mori)等基因组的研究，以及对赤拟谷盗、埃及伊蚊和冈比亚按蚊(Anopheles gambiae)的EST序列分析均未发现血蓝蛋白基因，这也支持全变态类群中血蓝蛋白丢失的说法[20]。

２　节肢动物血蓝蛋白的结构与功能

节肢动物血蓝蛋白的基本结构为六聚体，又可以6个相似或等同的亚型(六聚体)形成复合六聚体[7,9](图2)。一个典型的节肢动物血蓝蛋白亚基的相对分子质量约为70～80 k，由630～660个氨基酸组成，分为三个结构域[21,22]。第一个结构域包括N 端的150～180个氨基酸，主要由α螺旋组成，并通过超二级结构形成稳定的螺旋束；第二个结构域包括了两个结合铜离子的位点——CuA和CuB，均由2个α螺旋组成，每个α螺旋有3个组氨酸残基与铜离子结合，这两个铜离子为血蓝蛋白结合O

2

所必需；第三个结构域主要由β折叠结构组成，进一步折叠为超二级结构而形成反平行的7股β桶结构[21,22]。

节肢动物各种血蓝蛋白的亚型有着显著的多样性，并且在节肢动物的亚门内也是独立发生的，并

非同源关系[8]，这与脊椎动物血红蛋白通用的α

2β2结构有着明显差异[23]。

一般认为，血蓝蛋白作为三类呼吸功能蛋白之一，承担着氧气传输的功能[24]，但目前发现其功能并不止于此，它还可能具备能量储存 [25]和免疫防御功能[6,9]。支持血蓝蛋白具备免疫功能的研究结果包括：血蓝蛋白在实验中显示出内在的酚氧化酶活性[26]，甚至可以转化为酚氧化酶 [27]。此外，血蓝蛋白可以结合蜕皮激素而参与其在血淋巴中的运输[12]。３　节肢动物血蓝蛋白家族的其他成员

目前已知的节肢动物血蓝蛋白超家族(haemocy-anin superfamily)包括五个成员：酚氧化酶(phenol-oxidase, PO)、血蓝蛋白(Hc)、甲壳动物拟血蓝蛋