海洋無脊椎動(dòng)物多不飽和脂肪酸合成代謝機(jī)理研究進(jìn)展

王姮,丁君

(大連海洋大學(xué)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方海水增養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

近年來，人們對水產(chǎn)品質(zhì)量安全、優(yōu)質(zhì)動(dòng)物蛋白以及脂肪來源的關(guān)注度越來越高。水產(chǎn)品中富含人體所必需的多不飽和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid，PUFA)，PUFA不僅是維持正常生命活動(dòng)的必需物質(zhì)，而且對很多疾病具有明顯的預(yù)防和治療作用。然而，由于過度捕撈和環(huán)境破壞等因素，天然漁業(yè)資源呈現(xiàn)下降的趨勢。近年來，人類不斷增加的水產(chǎn)品需求主要依賴于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。因此，需要開發(fā)新的PUFA來源以滿足人類需求。幾乎所有的PUFA都來自于水生生態(tài)系統(tǒng)中的初級生產(chǎn)者，微藻作為海洋中PUFA的主要初級生產(chǎn)者，其生產(chǎn)出的PUFA進(jìn)入食物鏈后，由較高營養(yǎng)級生物通過轉(zhuǎn)化或修飾產(chǎn)生新的PUFA[1]。

人們希望通過研究魚類PUFA生物合成途徑來尋找傳統(tǒng)魚粉和魚油等的替代品，如植物粕和植物油，從而提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)性。因此對魚類內(nèi)源二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid，EPA)和二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid，DHA)的合成途徑進(jìn)行了大量研究[2-3]，而藻類作為長鏈多不飽和脂肪酸的主要初級生產(chǎn)者一直備受關(guān)注[4]。相比之下，無脊椎動(dòng)物PUFA合成的研究卻相對較少。無脊椎動(dòng)物位于初級生產(chǎn)者(植物)與脊椎動(dòng)物(魚類)之間，約占動(dòng)物總種類數(shù)的95%[5]。曾經(jīng)認(rèn)為“動(dòng)物”沒有合成PUFA的能力，只能通過營養(yǎng)升級(trophic upgrading)來獲得PUFA。但近幾年發(fā)現(xiàn)，低等動(dòng)物具有合成PUFA的能力[2]。由于PUFA在動(dòng)物個(gè)體發(fā)育、生長、存活率、色素沉積、應(yīng)激和疾病抵抗力以及大腦、視力和神經(jīng)系統(tǒng)中起著重要作用[6]，因此，為了獲取富含更多PUFA的食物來源，海洋無脊椎動(dòng)物受到越來越多的關(guān)注。同時(shí)，隨著分子生物學(xué)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對海洋無脊椎動(dòng)物PUFA生物合成和代謝分子機(jī)制的研究逐漸成為熱點(diǎn)。如何提高無脊椎動(dòng)物自身PUFA的合成能力是解決飼料中植物油替代魚油問題的關(guān)鍵，因此,在分子水平上研究海洋無脊椎動(dòng)物PUFA的生物合成途徑和調(diào)控機(jī)制具有重要意義。

盡管海洋無脊椎動(dòng)物數(shù)量龐大、種類繁多，但是基于理論研究和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的需要，有關(guān)研究報(bào)道多集中于多孔動(dòng)物、刺胞動(dòng)物、軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物和棘皮動(dòng)物等。因此，本文對以上五類海洋無脊椎動(dòng)物PUFA合成和代謝途徑以及重要酶和關(guān)鍵基因的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，為海洋無脊椎動(dòng)物PUFA合成、代謝與調(diào)控體系的研究提供參考資料。

1 多不飽和脂肪酸簡介

碳原子≥20、雙鍵數(shù)≥3的PUFA稱為長鏈多不飽和脂肪酸(long-chain polyunsaturated fatty acid，LC-PUFA)。主要分為n-3、n-6、n-7和n-9系列，其中，n-3和n-6系列具有重要生物學(xué)功能。距羧基最遠(yuǎn)端的雙鍵在倒數(shù)第3個(gè)碳原子上的稱為n-3 PUFA；在第六個(gè)碳原子上的稱為n-6 PUFA。n-3 PUFA主要包括α-亞麻酸(linolenic acid，ALA，C18∶3n-3))、二十碳五烯酸(eicosa-pentaenoic acid，EPA，C20∶5n-3)和二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid，DHA，C22∶6n-3)；n-6 PUFA主要包括亞油酸(linoleic acid，LA，C18∶2n-6)、γ-亞麻酸(γ-linolenic acid，GLA，C18∶3n-6)和二十碳四烯酸(又稱花生四烯酸，arachidonic acid，AA，C20∶4n-6)等。它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及在人體內(nèi)代謝的相互轉(zhuǎn)化方式如圖1所示[7]，包括了多種人和動(dòng)物體維持正常生長發(fā)育及生理功能的必需脂肪酸(essential fatty acid，EFA)，如AA、EPA和DHA，它們是細(xì)胞膜磷脂的重要成分，可以降低膜的相變溫度，增強(qiáng)膜的流動(dòng)性，對于維持生物膜的正常生理功能具有重要作用[8]；同時(shí)，由于富含DHA的磷脂賦予了細(xì)胞膜特殊的流動(dòng)性和壓縮性，使得神經(jīng)傳輸和視覺感受所需的生物膜相變能夠迅速進(jìn)行，因此，在人的大腦發(fā)育和心腦血管疾病等方面具有重要作用[9-10]。除此之外，PUFA還對脂類代謝、機(jī)體免疫及血液生理生化特性[11-13]等有一定程度影響，而且對海洋生物的生長、發(fā)育和繁殖發(fā)揮重要作用[14-15]。

圖1 脊椎動(dòng)物多不飽和脂肪酸PUFA的合成途徑[1]Fig.1 Biosynthetic pathways of PUFA in vertebrates[1]

在海洋無脊椎動(dòng)物中，發(fā)現(xiàn)脂肪酸去飽和酶(fatty acid desaturase，F(xiàn)ad)具有非亞甲基中斷脂肪酸(non-methylene-interrupted fatty acids,NMI FA)(雙鍵之間不止有一個(gè)甲基的PUFA[16])的合成能力[17]。NMI FA最早于70年代在海藻、多孔動(dòng)物(海綿)和海洋軟體動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)，主要分為三類：第一類具有常見的亞甲基中斷不飽和結(jié)構(gòu)，但其中缺少一個(gè)雙鍵結(jié)構(gòu)，如20∶3Δ5,11,14,20∶4Δ5,11,14,17；第二類主要存在于海綿動(dòng)物中，具有典型D5Z,9Z不飽和結(jié)構(gòu)的中長鏈(C16-C34)NMI FA，如18,2Δ7,11，20∶2Δ9,13；第三類主要存在于軟體動(dòng)物中，如20∶2Δ5,11,20∶2Δ5,13,22∶2Δ7,13,22∶2Δ7,15,20∶3Δ5,11,14,22∶3Δ7,13,16[18]。

2 PUFA合成代謝的關(guān)鍵酶

PUFA合成代謝的關(guān)鍵酶主要包括脂肪酸去飽和酶(fatty acid desaturase，F(xiàn)ad)、長鏈脂肪酸延長酶(elongase of very long chain fatty acid，Elovl)、脂肪酸合成酶(fatty acid synthetase，F(xiàn)as)、乙酰輔酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase，ACC)和硬脂酰輔酶A去飽和酶(stearoyl-coenzyme A desaturase，SCD)。

Fad主要位于真核生物的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，因此具有膜整合酶特有的三個(gè)保守組氨酸富集區(qū)，由一個(gè)NADH-細(xì)胞色素b5還原酶和細(xì)胞色素b5協(xié)助其完成碳鏈脫氫。具體過程是 NADH和脂酰-CoA分別貢獻(xiàn)一個(gè)電子與氧分子結(jié)合，從而形成一個(gè)雙鍵并釋放兩分子水[19]。在脊椎動(dòng)物中，F(xiàn)ads家族包括Fad1、Fad2、Fad3三種基因。Fad1和Fad2基因的產(chǎn)物分別具有Δ5和Δ6 Fad酶活性，而Fad3的表達(dá)產(chǎn)物沒有活性[20]。此外，也有研究證明,Fads基因不僅具有Δ5和Δ6活性，還具有Δ8和Δ4去飽和功能[21]，可將ALA和LA轉(zhuǎn)化為22∶5n-3和22∶4n-6，或者將20∶3n-3和22∶5n-3 轉(zhuǎn)化為 20∶4n-3 和 DHA。

Elovl催化聚縮反應(yīng)是碳鏈延長的限速步驟。Elovl催化脂肪酸和丙二酰CoA縮合，是C18以上PUFA合成LC-PUFA過程中的關(guān)鍵酶。在脊椎動(dòng)物中，延長酶家族存在7個(gè)成員，根據(jù)它們作用底物的特異性不同，分別命名為Elovll～Elovl7，其中Elovl2、Elovl4和Elovl5是PUFA合成的關(guān)鍵酶[22]。

Fas是脂肪酸合成的關(guān)鍵酶，主要位于脊椎動(dòng)物的脂肪和肝臟等組織中，F(xiàn)AS途徑是以乙酰CoA、丙二酸單酰-CoA 為底物，首先在FAS復(fù)合酶的作用下生成軟脂酸，再在碳鏈延長酶作用下生成硬脂酸，隨后在一系列脂肪酸去飽和酶和延長酶的作用下生成包括終產(chǎn)物 DHA在內(nèi)的一系列不飽和脂肪酸[23]，其活性高低直接影響體內(nèi)脂肪的合成，不飽和脂肪酸對FAS活性具有抑制作用。

ACC是脂肪酸合成代謝過程中的限速酶，催化乙酰CoA合成丙二酰CoA，并在脂肪酸延長酶的作用下合成長鏈脂肪酸。ACC是磷酸腺苷激活蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK)的下游靶點(diǎn)，AMPK可通過其磷酸化水平來抑制ACC表達(dá)，并調(diào)控脂肪的分解與合成代謝[24]。

SCD 是脂肪酸去飽和化的限速酶，催化飽和脂肪酰基CoAΔ9-cis的去飽和化，生成單不飽和脂肪酸(monounsaturated fatty acid，MUFA)，將C16∶0和C18∶0 轉(zhuǎn)化成棕櫚油酸(C16∶1)和油酸(C18∶1)，C18∶1也可以被SCD去飽和化為共軛亞油酸(conjugated linoleic acid，CLA，C18∶2)。SCD是脂肪酸形成和肌肉間脂肪沉積過程中的重要調(diào)控因子[25]。

3 初級生產(chǎn)者與脊椎動(dòng)物PUFA合成代謝途徑

PUFA的初級生產(chǎn)主要由海洋中光合微藻、異養(yǎng)原生生物以及細(xì)菌完成。微藻為從頭合成PUFA，主要通過給飽和脂肪酸依次添加雙鍵的有氧途徑，即通過Δ9和Δ12(或ω6)去飽和酶將C18∶0(16∶0)合成C18∶2n-6(亞油酸，LA)，進(jìn)而通過Δ15(或ω3)去不飽和酶，合成C18∶3n-3(α-亞麻酸，α-linolenic acid，LNA)[26](圖2)。通過一系列在Δ9位置與羧基末端之間插入雙鍵的去飽和酶以及延長酶的作用下將LNA轉(zhuǎn)化為EPA與DHA。傳統(tǒng)程序是Δ6 去飽和酶→延長酶→Δ5去飽和酶→延長酶→Δ4去飽和酶，但在某些物種中，最初的步驟可以是通過Δ8去飽和化延長為C20∶3n-3或C20∶4n-6的Δ17去飽和化生成EPA[26]。近年來發(fā)現(xiàn)，原核生物和真核生物都可以通過多聚乙酰合成酶(polyketide synthase，PKS)參與的全新厭氧途徑來合成PUFA[27]。PKS途徑最初在希瓦氏菌Shewanellasp.中被發(fā)現(xiàn)，隨即在弧菌Vibriosp.以及從魚類和無脊椎動(dòng)物腸道中分離出的大多數(shù)生產(chǎn)PUFA細(xì)菌中均有發(fā)現(xiàn)[25]，因此，海洋細(xì)菌即可通過有氧途徑，也可通過厭氧途徑進(jìn)行PUFA的合成。

圖2 初級生產(chǎn)者PUFA合成代謝途徑[32]Fig.2 Biosynthetic pathways of PUFA in primary producers[32]

與所有脊椎動(dòng)物相同，魚類不能從飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸合成PUFA，因此PUFA是必需的膳食營養(yǎng)物質(zhì)[28]。盡管DHA和EPA多存在于魚類及魚油中，但它們最初是由微藻合成。魚類通過“營養(yǎng)升級(trophic upgrading)”過程，使體內(nèi)的必需脂肪酸含量增加從而具有更高的營養(yǎng)價(jià)值，也可以通過代謝C18 PUFA、LNA和LA，生成LC-PUFA，不過這取決于該物種是否具有合成EPA或DHA的能力。在脊椎動(dòng)物中，EPA的合成首先通過C18∶3n-3的Δ6去飽和作用生成C18∶4n-3，再通過Δ5去飽和作用后在延長酶的作用下生成C20∶4n-3，與C18∶2n-6合成花生四烯酸(arachidonic acid，ARA )過程中所涉及的酶相同[29](圖1)。魚類將C18 PUFA轉(zhuǎn)化為LC-PUFA的能力與Fad、Elovl的補(bǔ)充有關(guān)[30]。為了揭示這些酶活性的分子基礎(chǔ)，近些年來有研究通過酶基因cDNA克隆的方法，使用不同種酵母載體Saccharomycescerevisiae(沒有內(nèi)生LC-PUFAFad或Elovl基因的表達(dá))來研究它們的表達(dá)功能，并通過培養(yǎng)轉(zhuǎn)化的酵母酶活性與適當(dāng)?shù)腜UFA基質(zhì)確定酶的活性。目前一些海水魚和淡水魚中已完成了Δ6Fad、Δ5Fad的 cDNA克隆與特征描述，也發(fā)現(xiàn)了具有雙功能Δ6 /Δ5 Fad表達(dá)的魚類[31]。在哺乳動(dòng)物中，已知的參與LC-PUFA生物合成Elovl的基因至少有兩個(gè)，分別為Elovl2和Elovl5[22]。不同物種的PUFA生物合成能力不同，許多海水魚類明顯地缺少了Δ5Fad和Elovl2[31]。

4 海洋無脊椎動(dòng)物PUFA合成代謝

與脊椎動(dòng)物不同，海洋無脊椎動(dòng)物中LC-PUFA的生物合成途徑仍然知之甚少[1](圖3)。研究表明，一些海洋無脊椎動(dòng)物通過Fads和Elovl酶進(jìn)行LC-PUFA的生物合成[18]，然而PUFA合成代謝途徑較為復(fù)雜，因此，本文根據(jù)生物進(jìn)化歷程，按照由低等到高等的順序分別對多孔動(dòng)物、刺胞動(dòng)物、軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物和棘皮動(dòng)物共五類海洋無脊椎動(dòng)物PUFA合成代謝途徑及相關(guān)酶基因的研究進(jìn)展進(jìn)行概述，著重總結(jié)了水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)物種中軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物和棘皮動(dòng)物L(fēng)C-PUFA合成代謝的分子機(jī)制。

圖3 無脊椎動(dòng)物多不飽和脂肪酸合成途徑[1]Fig.3 Putative biosynthetic pathways of PUFA in invertebrates[1]

4.1 多孔動(dòng)物

多孔動(dòng)物(Porifera)又稱海綿動(dòng)物，其脂肪酸具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，包括長脂酰鏈(可達(dá)34個(gè)碳)、支鏈、官能團(tuán)、相對較高的未飽和度(可達(dá)6個(gè)雙鍵)和一個(gè)特定模式內(nèi)的未飽和脂酰鏈[33]。在多孔動(dòng)物中,NMI FA以Δ5,9雙鍵模式為主，可將C16∶0轉(zhuǎn)化為C26∶0，而兩個(gè)雙鍵可以按任意順序添加[34]。有研究報(bào)道，在大堡礁海綿(Amphimedonqueenslandica)的基因組中發(fā)現(xiàn)了Fad和Elovl基因，表明該物種中存在參與LC-PUFA生物合成途徑的候選酶[35]，包括一個(gè)Fad和兩個(gè)延長酶Elovl2、Elovl4，具體序列詳見表1。因此，在海綿動(dòng)物中存在著活躍的去飽和系統(tǒng)和延長系統(tǒng)[33]。多孔動(dòng)物的脂肪酸具有很好藥用價(jià)值，例如從花萼海綿(Discodermiacalyx)和南海海綿(Theonellaswinhoei)中提取出的蛋白磷酸酯酶抑制劑(Calyculin A)，Calyculin A是一種八甲基多羥基二十八碳脂肪酸[36]，可以抑制小鼠L1210和P388白血病細(xì)胞系的增殖，特定地抑制蛋白磷脂酶I和蛋白酯酶IIA的活性，其衍生物可選擇性地作用于增值細(xì)胞而非正常靜止細(xì)胞，有開發(fā)成新型藥物的潛力[37]，具有良好的應(yīng)用前景[38]。

4.2 刺胞動(dòng)物

刺胞動(dòng)物(Cnidaria)又稱腔腸動(dòng)物，能夠與PUFA的初級生產(chǎn)者及一些無脊椎動(dòng)物等產(chǎn)生共生作用，使得PUFA/LC-PUFA生物合成途徑更加復(fù)雜化[39]。有研究報(bào)道，在三趾雙殼類軟體動(dòng)物(巨型蛤)以及刺胞動(dòng)物珊瑚蟲綱(珊瑚和?？?和缽水母綱(水母)中會(huì)發(fā)生脂肪酸易位現(xiàn)象[40]。蟲黃藻中的飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸會(huì)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)到宿主體內(nèi)，且共生產(chǎn)生的脂質(zhì)可占珊瑚組織干重的46%[41]。因此，珊瑚等多養(yǎng)生物的脂肪酸組成可以反映營養(yǎng)素來源，包括蟲黃藻等內(nèi)源藻類和細(xì)菌，而脂肪酸可以作為這些來源的標(biāo)記[42]。分析PUFA在蟲黃藻、珊瑚蟲組織和軟珊瑚(Sinulariasp.)、硬珊瑚(Acroporasp.)中完整菌落的分布為解析不同部位合成PUFA的生化途徑提供了線索[43]，結(jié)果表明，C18∶3n-6、C18∶4n-3、EPA、C22∶5n-3和DHA主要由蟲黃藻合成；C20∶3n-6、ARA和C22∶4n-6由珊瑚蟲組織合成；軟珊瑚珊瑚蟲也能合成24∶5n-6和24∶6n-3。無論有沒有蟲黃藻，這些四環(huán)素多烯脂肪酸都可作為軟珊瑚化學(xué)分類的標(biāo)記[44]，說明C22 PUFA的生物合成只發(fā)生在珊瑚蟲體內(nèi)；蟲黃藻還可以合成C16∶2n-7、C16∶3n-4和C16∶4n-1。Imbs等[43]推測,在Sinulariasp.中合成C16∶2n-7和在Acroporasp.中合成C18∶3n-6都經(jīng)過了Δ6 去飽和酶催化，因此C18∶2n-6、C18∶3n-6和C16∶2n-7在不同蟲黃藻和珊瑚蟲上的分布相對均勻。珊瑚蟲合成了C18∶2n-7，表明C16延長酶在珊瑚中發(fā)揮作用。然而在對?？?Aiptasiapulchella)的研究中發(fā)現(xiàn)，使用純度穩(wěn)定的同位素(13C)標(biāo)記溶解無機(jī)碳，脂肪酸合成率只與共生腰鞭毛蟲體內(nèi)的脂肪生成途徑有關(guān)，且共生體派生的同位素標(biāo)記脂肪酸并未被直接用于宿主PUFA合成[45]。海蜇中脂肪酸組成豐富，并且，其脂肪組成與它們主要捕食對象的脂肪酸組成有關(guān)，含有30多種脂肪酸，PUFA含量在36.2%～38.7%之間，其中DHA、EPA和AA含量較高，具有很高的營養(yǎng)與藥用價(jià)值。

4.3 軟體動(dòng)物

軟體動(dòng)物(Mollusca)作為海洋無脊椎動(dòng)物中一個(gè)大的群體，不僅具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且具有很高的營養(yǎng)價(jià)值(能為人類提供“omega-3”)，因此，對軟體動(dòng)物中PUFA的生物合成進(jìn)行了廣泛研究[46]。早在1989年就有關(guān)于各種軟體動(dòng)物中脂肪酸組成的綜述性文章[47]，后續(xù)的研究證明，軟體動(dòng)物中腹足類和雙殼類具有生產(chǎn)內(nèi)源PUFA的能力[48-49]。一般認(rèn)為，軟體動(dòng)物具有一定的PUFA生物合成能力，但這種能力因物種不同而存在差異，這主要取決于參與這些代謝反應(yīng)的去飽和酶和延長酶的酶補(bǔ)充作用。與其他海洋無脊椎動(dòng)物類似，軟體動(dòng)物也可以內(nèi)源性合成NMIFA，其生物合成途徑已經(jīng)有詳細(xì)描述，在大多數(shù)軟體動(dòng)物中至少有兩個(gè)不同的去飽和作用，具有Δ5,9不飽和模式特征的NMI FA[16]。首先，硬脂酰輔酶A去飽和酶(stearoyl-CoA desaturease，SCD)已被證實(shí)存在于軟體動(dòng)物中[50]，具有Δ9去飽和酶活性，可分別將棕櫚油酸(C16∶0)和硬脂酸(C18∶0)轉(zhuǎn)化成棕櫚酸(C16∶1n-7或Δ9C16∶1)和油酸(C18∶1n-9或Δ9C18∶1)[20]。其次，去飽和酶需要在Δ5位置加入一個(gè)雙鍵才能帶有Δ5去飽和活性。在軟體動(dòng)物中廣泛分布著具有Δ5、Δ6特異性的脂肪?；ワ柡兔竅51]。

LC-PUFA是頭足類動(dòng)物必需的營養(yǎng)物質(zhì)，尤其在生命周期的早期階段[52]。Monroig等[53]對頭足類動(dòng)物L(fēng)C-PUFA合成途徑中起關(guān)鍵作用的Fad和Elovl酶基因進(jìn)行了克隆和功能分析，其cDNA包含三個(gè)組氨酸盒(HXXXH、HXXHH和QXXHH)、一個(gè)推測的細(xì)胞色素b5樣結(jié)構(gòu)域和一個(gè)類似于脊椎動(dòng)物去飽和酶“Fads”家族的血紅蛋白結(jié)合序列(HPGG)。章魚Fad對飽和、不飽和脂?；孜锞憩F(xiàn)出Δ5去飽和酶活性，可分別將酵母內(nèi)源的C16∶0和C18∶0有效地轉(zhuǎn)化為Δ5去飽和的C16∶1n-11(Δ5-C16∶1)和C18∶1n-13(Δ5-C18∶1)，同樣也可以轉(zhuǎn)化為Δ5去飽和活性的C18∶1n-13和C20∶1n-15(Δ5-C20∶1)[46]。雖然頭足類動(dòng)物Fad的Δ5樣特異性可分別將C20∶4n-3和C20∶3n-6轉(zhuǎn)化為EPA和ARA，但并沒有發(fā)現(xiàn)具有明顯的Δ4、Δ6和Δ8活性，也沒有證據(jù)顯示在頭足類動(dòng)物中有類似于脊椎動(dòng)物的替代途徑[54]。

研究表明，軟體動(dòng)物中僅存在單一Fad基因[53]，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多軟體動(dòng)物的全基因組研究計(jì)劃相繼而出，軟體動(dòng)物Fad與Elovl序列數(shù)據(jù)庫也得到不斷擴(kuò)充(表1)。在皺紋盤鮑(Haliotisdiscushannai)、霸王蓮花青螺(Lottiagigantea)等基因組中均存在多個(gè)編碼Fad與Elovl的基因，因此，數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)充將有助于新基因或酶的發(fā)掘，且有利于闡明Fad和Elovl的合成代謝機(jī)制，充分了解它們在LC-PUFA生物合成中的作用。

4.4 甲殼動(dòng)物

PUFA合成代謝對水產(chǎn)養(yǎng)殖的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益等方面具有重要意義。目前，甲殼動(dòng)物(Crustacea)中PUFA的相關(guān)研究主要集中于甲殼動(dòng)物(蝦蟹等)和浮游動(dòng)物。研究表明，不同種類甲殼動(dòng)物中LC-PUFA的生物合成能力存在差異，但與物種的系統(tǒng)發(fā)育(類/亞類)或棲息地(淡水/海洋)無顯著相關(guān)性。例如，橈足類哲水蚤(Harpacticoidcopepods)具有參與PUFA生物合成的去飽和酶和延長酶，能夠合成LC-PUFA，可能與其棲息地中取食的食物質(zhì)量有關(guān)。淡水橈足類鋸緣真劍水蚤(Eucyclopsserrulatus)在投喂不含DHA的微藻時(shí)也有內(nèi)源產(chǎn)生DHA的能力[1]。雖然橈足類甲殼動(dòng)物能夠內(nèi)源性合成LC-PUFA，但是合成效率較低[55]。鰓足類蚤狀溞(Daphniapulex)暴露于低溫時(shí)，LC-PUFA含量會(huì)顯著增加[56]。鹵蟲可以將帶有放射性標(biāo)記n-6系列脂肪酸LA(C18∶2n-6)轉(zhuǎn)化為n-3系列脂肪酸LNA(C18∶3n-3)[57]，由此表明，甲殼動(dòng)物中存在n-3(或Δ15)去飽和酶。

甲殼動(dòng)物內(nèi)源性LC-PUFA的生物合成能力多數(shù)是通過間接分析(成分)來證明的，很少有直接的證據(jù)(比如生化/分子)，因此甲殼動(dòng)物中LC-PUFA的具體合成途徑尚不明確。目前研究發(fā)現(xiàn),在中華絨螯蟹(Eriocheirsinens)、擬穴青蟹(Scyllaparamamosain)和凡納濱對蝦(Litopenaeusvannamei)等甲殼動(dòng)物中克隆出Fad樣基因，但尚沒有進(jìn)行功能分析[18]。這些Fad樣基因序列具有去飽和酶的典型結(jié)構(gòu)，包括血紅素結(jié)合區(qū)域(HPGG)和多個(gè)跨膜區(qū)域的細(xì)胞色素b5樣結(jié)構(gòu)域以及三個(gè)組氨酸盒。其中第三個(gè)組氨酸盒的氨基酸序列是HXXHH，而不是通常在去飽和酶中發(fā)現(xiàn)的QXXHH。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，蝦蟹類甲殼動(dòng)物的去飽和酶與其他無脊椎動(dòng)物(如軟體動(dòng)物和棘皮動(dòng)物)的去飽和酶在功能特征上具有顯著差異，它們形成了一個(gè)獨(dú)立的非功能特征序列群。甲殼動(dòng)物中Elovl基因具有典型的延長酶基因結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，雖然尚未進(jìn)行功能分析，但是有研究發(fā)現(xiàn)餌料可以調(diào)節(jié)中華絨螯蟹Fad和Elovl表達(dá)，在投喂食用植物油(大豆油)含量相對較高的餌料時(shí)其表達(dá)量增加，類似于脊椎動(dòng)物對去飽和酶表達(dá)的調(diào)節(jié)反應(yīng)[58]。具體甲殼動(dòng)物Fad和Elovl序列見表1。

山東、河北、遼寧等沿海省份是我國海鹽主要產(chǎn)地，鹵蟲卵產(chǎn)量大、營養(yǎng)豐富、脂肪酸含量高，鹵蟲卵作為水產(chǎn)苗種培育過程中常用且極為重要的餌料，對水產(chǎn)動(dòng)物的幼體發(fā)育、能量儲(chǔ)存、體組織脂肪酸組成都有著重要作用。雖然有報(bào)道鹵蟲卵、初孵無節(jié)幼體中脂肪酸組成及含量的研究[59]，但是鹵蟲本身PUFA合成能力的研究鮮見報(bào)道，有待進(jìn)一步深入研究。

4.5 棘皮動(dòng)物

棘皮動(dòng)物(Echinoderm)PUFA合成的研究處于起步階段，尤其是PUFA合成中關(guān)鍵性酶功能的研究相對較少。目前已經(jīng)獲得了刺參(Apostichopusjaponicus)、中間球海膽(Strongylocentrotusintermedius)和紫色海膽(Paracentrotuslividus)等棘皮動(dòng)物的Fad基因序列[18]。Kabeya等[60]從P.lividus中克隆了FadsA、FadsC1和FadsC2三種去飽和酶的cDNA序列，并對它們進(jìn)行了功能分析，結(jié)果表明，它們都具有典型的去飽和酶特征，包括細(xì)胞色素b5結(jié)構(gòu)域、血紅蛋白結(jié)合序列(HPGG)和三個(gè)組氨酸盒(HXXXH,HXXHH和QXXHH)；盡管具有共同的去飽和酶特征，但系統(tǒng)發(fā)育分析顯示，海膽和其他棘皮動(dòng)物都具有特異的序列域。研究證實(shí)，F(xiàn)adsA是Δ5 去飽和酶，且在海星(Patiriaminiata)、海蛇尾(Ophiothrixspiculata)和海參(Parastichopusparvimensis)等棘皮動(dòng)物中也發(fā)現(xiàn)了FadsA的同源體；而海星、海蛇尾和海參中檢測到的FadsB去飽和酶在海膽中未檢測到；系統(tǒng)發(fā)育分析表明，棘皮動(dòng)物FadsB更接近于脊椎動(dòng)物的Fads樣去飽和酶。P.lividus含有豐富的LC-PUFA、EPA和ARA，可通過去飽和反應(yīng)“Δ8途徑”將C18 PUFA的ALA(C18∶3n-3)和LA(C18∶2n-6)轉(zhuǎn)化成EPA(C20∶5n-3)和ARA(C20∶4n-6)[61](圖3)，因此即使在投喂低含量ARA時(shí)，海膽性腺中ARA含量也較高[62]。與軟體動(dòng)物中去飽和酶相似，從P.lividus中發(fā)現(xiàn)的FadsA能將C18∶0去飽和化為C18∶1n-13(Δ5C18∶1)，但是不能把C16∶0去飽和化為C16∶1n-11(Δ5C16∶1)。另外，在海膽中也存在NMI FA，F(xiàn)adsA在合成NMI FA的過程中起作用[63]；在另一種綠海膽(Strongylocentrotusdroebachiensis)中也有NMI FA的生物合成途徑[64]，即可通過C20∶1n-9(Δ11C20∶1)和C20∶1n-7(Δ13C20∶1)的Δ5去飽和化合成Δ5,11C20∶2和Δ5,13C20∶2。然而，海膽FadsA具有從C20∶3n-3 (20∶3Δ11,14,17)和20∶2n-6(20∶2Δ11,14)合成NMI FAs C20∶4Δ5,11,14,17 和C20∶3Δ5,11,14的能力。盡管克隆了刺參(A.japonicus)、中間球海膽(S.intermedius)等棘皮動(dòng)物的Elovl基因序列[18]，但是其功能卻鮮有報(bào)道。刺參(A.japonicus)的Elovl5不同于軟體動(dòng)物Elovl2/5，它可以將γ亞麻酸與EPA轉(zhuǎn)化為加2個(gè)碳的對應(yīng)產(chǎn)物[18]。

Wang等[65]對性腺各發(fā)育時(shí)期(即PUFA蓄積階段)進(jìn)行了轉(zhuǎn)錄組和代謝組聯(lián)合分析，共篩選出49個(gè)與脂肪酸相關(guān)的基因，包括常見的Fads及Elovl等基因，還包括參與脂肪酸合成代謝的Cyp4v2、Fas、乙酰輔酶A酰基轉(zhuǎn)移酶(ACAA2)等基因[66]。通過代謝組分析篩選出一些主要代謝物，如AA、α-亞麻酸、DPA(C22∶5n-3)、EPA、DHA等，并進(jìn)一步研究了花生四烯酸代謝、α-亞麻酸代謝以及亞油酸代謝通路[65]。其中，DPA作為EPA和DHA的中間產(chǎn)物同樣具有調(diào)節(jié)血脂、軟化血管、優(yōu)化神經(jīng)、防止癌癥和監(jiān)管脂質(zhì)的功能，其調(diào)節(jié)血脂的功能比有“血管清道夫”之稱的EPA還要強(qiáng)。

5 展望

飲食(營養(yǎng)調(diào)節(jié))和環(huán)境因素(包括溫度、壓力和鹽度)會(huì)影響海洋無脊椎動(dòng)物PUFA的合成能力。因此，研究海水養(yǎng)殖物種PUFA合成途徑的營養(yǎng)調(diào)控具有重要意義。一般來說，增加植物油的攝入量 (缺乏≥C20 PUFA)會(huì)促進(jìn)Fad和Elovl基因上調(diào)表達(dá)，從而彌補(bǔ)以植物油為基礎(chǔ)的飼料中≥C20 PUFA的不足。然而，海洋無脊椎動(dòng)物PUFA合成代謝是一個(gè)復(fù)雜的過程，參與調(diào)節(jié)Fad和Elovl表達(dá)的分子機(jī)制尚不明確。現(xiàn)有研究表明，海洋無脊椎動(dòng)物體內(nèi)含有參與PUFA合成的關(guān)鍵酶，且對內(nèi)源性PUFA合成起作用，但其分子機(jī)制尚不完全清楚?；蚪M學(xué)的迅猛發(fā)展、新興基因編輯技術(shù)的不斷完善有利于無脊椎動(dòng)物PUFA合成代謝機(jī)理的深入研究，包括關(guān)鍵酶的空間結(jié)構(gòu)、底物識別區(qū)域和活性區(qū)域、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控機(jī)制等，為人們更深入地理解海洋經(jīng)濟(jì)無脊椎動(dòng)物PUFA合成代謝與調(diào)控體系、開展海洋經(jīng)濟(jì)無脊椎動(dòng)物的可持續(xù)綠色健康養(yǎng)殖等應(yīng)用研究提供有價(jià)值的參考資料。