尼古丁乙酰胆碱受体调控老虎垂体生长激素分泌：揭示大型猫科动物体型调控的新机制

《Communications Biology》：Nicotinic acetylcholine receptors regulate growth hormone in pituitary somatotrophs of tigers

为探究猫科动物体型差异的潜在机制，东北林业大学研究人员以西伯利亚虎为对象，研究尼古丁乙酰胆碱受体（nAChRs）对生长激素（GH）分泌的调控作用。结果发现 nAChRs 在西伯利亚虎垂体促生长细胞中特异表达，激活它可促进 GH 分泌，为研究大型哺乳动物体型调控提供新视角。

　　在广袤的动物世界里，哺乳动物的体型大小可谓千差万别。从小巧玲珑的老鼠到威风凛凛的大象，再到猫科动物中体型悬殊的锈斑猫和西伯利亚虎，这种巨大的差异背后隐藏着怎样的奥秘呢？一直以来，科学家们都对哺乳动物体型调控的机制充满好奇。尤其是猫科动物，它们的体型差异显著，然而其背后的分子机制却鲜为人知。西伯利亚虎作为现存体型最大的老虎亚种，无疑是研究大型哺乳动物体型调控的绝佳对象。为了揭开这个神秘的面纱，东北林业大学的研究人员开展了一项极具意义的研究。

他们聚焦于西伯利亚虎，深入探究其体型调控的分子基础。研究发现，尼古丁乙酰胆碱受体（nAChRs）在西伯利亚虎垂体促生长细胞中有着独特的表达，而这一受体对生长激素（GH）的分泌起到了关键的调控作用。这一发现意义重大，不仅为我们理解大型猫科动物体型调控提供了新的视角，也为进一步研究大型哺乳动物的进化和适应提供了重要线索。该研究成果发表在《Communications Biology》杂志上。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，通过单细胞核 RNA 测序技术，对西伯利亚虎垂体细胞进行分析，以确定细胞类型和基因表达情况；其次，采用电生理实验，研究 nAChRs 的功能特性；此外，还运用 PCR 分析、免疫印迹和免疫荧光等技术，检测相关基因和蛋白的表达水平。研究样本包括来自西伯利亚虎、家猫、小鼠和大鼠的垂体组织，其中部分样本来自特定研究中心，如西伯利亚虎样本取自哈尔滨东北虎林园。

下面来看具体的研究结果：

• 转录聚类分析：研究人员利用 10× Genomics 技术构建了西伯利亚虎垂体的单细胞核 RNA 文库，检测到 11,313 个细胞核和 23,583 个基因。通过 Seurat 的共享最近邻（SNN）方法对数据进行聚类，并使用 t 分布随机邻域嵌入（t-SNE）进行可视化。基于标记基因的差异表达，鉴定出了五种主要的激素产生细胞类型，包括促生长细胞（表达 GH、CORIN、GHRHR）等，还识别出了干细胞、内皮细胞等其他细胞类型。同时，以小鼠垂体的单细胞核数据作为参考图谱，发现西伯利亚虎垂体中的所有细胞类型在小鼠中也都存在，这表明西伯利亚虎垂体的基本功能与其他哺乳动物具有可比性123。
• nAChRs 编码基因的表达：研究人员比较了西伯利亚虎和小鼠促生长细胞的表达模式，发现编码 nAChRs 的亚基基因 CHRNA3、CHRNB4 和 CHRNA5 在西伯利亚虎促生长细胞中表达，而在小鼠中不表达。通过 PCR 检测，进一步证实了这三个亚基基因在家猫、小鼠和大鼠的垂体中不存在。在蛋白水平上，CHRNA5 编码的 α5 在成年西伯利亚虎垂体中可检测到，而在其他受试哺乳动物中则不存在。此外，研究还发现西伯利亚虎幼崽促生长细胞中也有 nAChRs 的表达，这表明 nAChR 亚基 α3、β4 和 α5 在西伯利亚虎垂体中的表达具有物种特异性，且在生命早期和成年期均存在411。
• 功能性 nAChRs 的研究：鉴于 nAChR 亚基在西伯利亚虎中的异常表达，研究人员构建并在人胚肾 293（HEK293）细胞中共表达编码西伯利亚虎 nAChRs 的 α3、β4 和 α5 的质粒。全细胞记录显示，nAChRs 的 α3β4 和 α3β4α5 可被乙酰胆碱激活，其半最大有效浓度（EC50?）分别为 45.3 ± 1.2 μM 和 65.8 ± 1.1 μM ，与其他哺乳动物 nAChRs 对乙酰胆碱的敏感性相似。α3β4 和 α3β4α5 通道对单价和二价离子（包括Na+、K+和Ca2+）具有通透性，激活后可在 HEK293 细胞中产生强大的钙信号，这表明它们是功能性钙通透通道，可能通过激活在垂体促生长细胞中产生钙信号56。
• nAChRs 激活对生长激素分泌的影响：为了评估 nAChRs 对 GH 分泌的影响，研究人员利用大鼠垂体肿瘤细胞系 GH3 细胞进行实验。在不同浓度乙酰胆碱处理下，通过酶联免疫吸附测定（ELISA）检测 GH 分泌水平。结果显示，在没有乙酰胆碱存在时，GH3 细胞无论是否转染 α3β4 或 α3β4α5，GH 分泌均无变化；而在 0.5 μM、5 μM 和 50 μM 乙酰胆碱存在下，转染 α3β4 或 α3β4α5 的 GH3 细胞在 10 分钟时 GH 分泌开始增加，在 120 分钟时达到最大值，增加了 36.98%（± 2.13% s.e.m.），且 nAChR 抑制剂筒箭毒碱可阻断乙酰胆碱介导的 GH 增加。这表明 nAChR 激活可促进钙内流，从而增强 GH3 细胞中 GH 的分泌，暗示了西伯利亚虎垂体促生长细胞中存在 nAChR 诱导的 GH 分泌机制78。
• 哺乳动物垂体中的乙酰胆碱：研究人员检测了小鼠、大鼠和家猫在整个生命周期中垂体中乙酰胆碱的浓度，发现这些物种在生命早期乙酰胆碱水平升高，超过了激活 nAChRs 所需的最低浓度（0.5 μM） ，且随着年龄的增长，垂体中乙酰胆碱含量下降。西伯利亚虎在生命早期可能利用升高的乙酰胆碱水平激活 nAChRs，促进 GH 释放，这可能是其体型巨大的原因之一。尽管成年西伯利亚虎促生长细胞中仍持续表达 nAChRs，但垂体乙酰胆碱水平显著下降，表明该机制在早期发育中起主要作用，在成年后的生长中作用有限，但仍可能维持促生长细胞的基础功能910。

综合上述研究结果，研究人员得出结论：乙酰胆碱激活西伯利亚虎促生长细胞中的 nAChRs，可能为增加 GH 分泌提供额外的钙信号来源。nAChRs 的 α3β4 和 α3β4α5 亚基在调节垂体促生长细胞内Ca2+水平方面起着关键作用，它们可能与典型信号通路协同作用，促进西伯利亚虎的快速生长。此外，研究还发现乙酰胆碱在哺乳动物垂体早期发育阶段的高表达可能参与了重要的生物学过程，如调节生长激素轴等。

这项研究的意义非凡，它不仅揭示了西伯利亚虎体型调控的新机制，为我们理解大型猫科动物的生长发育提供了重要依据，也为进一步研究大型哺乳动物的进化和适应提供了新的思路。未来的研究可以探索其他大型哺乳动物垂体促生长细胞中是否也存在类似的 nAChR 介导的 GH 分泌机制，这将有助于我们更全面地了解哺乳动物体型调控的奥秘。 】