全身麻醉的应用已有170多年历史,然而其机制仍不清楚。同样不清楚的问题还有麻醉药是否会对机体产生不利影响。目前有一些关于全麻药对机体影响的报道,但有关G-蛋白偶联受体(GPCR)方面的研究较为少见。通过比对和种系发生分析,我们在水蚤中鉴定了18个GPCR基因,包括代谢型GABAB受体、代谢性谷氨酸受体、肾上腺素能受体、5-羟色胺受体、多巴胺受体和毒蕈碱型受体。我们成功检测到这些基因的表达,并通过荧光定量PCR技术观察到了异丙酚、依托咪酯和酒精对这18个GPCR基因表达的影响。
引用本文: 胡安民, 董长虹, 左云霞, 李国华. 异丙酚、依托咪酯和酒精对水蚤G蛋白偶联受体基因表达的影响. 生物医学工程学杂志, 2014, 31(4): 827-832. doi: 10.7507/1001-5515.20140155 复制
引言
全身麻醉涉及很多要素,比如镇静、意识消失、足够的镇痛和适度的肌肉松弛。到目前为止,麻醉作用机制仍不清楚。人们通常认为麻醉药物的作用更多涉及中枢神经系统离子通道,如GABA门控的离子通道 (即GABAA受体)、NMDA型谷氨酸门控的离子通道(即GluN受体或NMDA受体)和钾离子通道。然而,近年来的研究表明,临床上常用的麻醉药可直接作用于G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptor,GPCR)[1-3],包括毒蕈碱型受体、代谢性谷氨酸受体、5-HT2A受体,麻醉药可能会通过GPCR对机体产生持续性影响。但是,目前尚无有关麻醉药对GPCR基因表达影响的系统报道。另外,日常生活中饮用的酒精也能产生麻醉效果并影响GPCR的功能或表达。显然,临床试验研究麻醉药如何影响GPCR并不可行,通过动物模型进行相关研究能够弥补临床试验的不足。
不同物种的麻醉行为均服从迈耶-奥弗顿(Meyer-Overton)法则[4-5],暗示不同物种有相同或类似的全麻机制。与果蝇一样,作为人类疾病模型的模式动物,水蚤有饲养简单、繁殖力强、子代数量多和生命周期短的优点,另外水蚤可孤雌生殖形成克隆群体,同时生活于水中,更适合表观遗传学和药理学的研究。基于该优点,我们通过定量PCR,系统研究了异丙酚、依托咪酯和酒精对单克隆水蚤种群代谢型神经递质受体的基因表达的影响。
1 材料与方法
1.1 水蚤培养
水蚤的培养方法和以前发表的文章描述相同[6]。在恒温(20±1)℃和可控光照周期(16 h∶8 h的光-暗周期)的水缸内,用酵母菌和螺旋藻混合喂养水蚤。每天清晨更换1/5水量。
1.2 序列分析和多重序列比对
使用果蝇或人的蛋白查询序列在水蚤基因组数据库(www.fleabase.org) 中搜索同源基因,然后根据最大似然法,用MEGA 5.10软件构建进化树[
1.3 药物对水蚤的运动抑制观察
将50只水蚤放于含有药物(异丙酚、依托咪酯或酒精)的溶液中,30 min后,将沉落在容器底部且存在心跳的水蚤判定为受到药物影响而产生运动抑制。
1.4 RNA提取、逆转录和多重PCR
总RNA提取、逆转录和PCR同以前文献描述一致。实验每次用50只水蚤经药物处理4 h后分离、沉淀和纯化提取总RNA。选用PrimeScriptTM RT reagent Kit DRR037A(TaKaRa)逆转录cDNA。用Primer 3软件设计对应水蚤基因的引物[8],首次扩增时用普通PCR确定扩增产物和引物质量,并用qPCR再次确定产物质量和引物扩增效率,药物组分别与对照组比较,观察水蚤G蛋白基因表达量的相对改变,对照组基因表达量定为1。在iQ5 system (Bio-Rad)中,选用SYBR Premix Ex TaqTM Ⅱ KIT DRR081A(TaKaRa)进行扩增。每个反应体系均为20 μL,包含2 μL cDNA和0.8 μmol/L引物。反应条件包括三步:① 95 ℃激活DNA聚合酶30 s;② 重复反应40个循环,每个循环包括95 ℃(5 s),55 ℃(30 s)和72 ℃(30 s);③ 从55 ℃升温至95 ℃,每升高0.5 ℃后检测荧光信号30 s。根据2-ΔΔCT理论计算水蚤基因相对表达分析[9]。实验选用β-actin基因进行标准化。基因相对表达量用均数±标准差表示,每组数据为5次独立的实验。基因表达的统计学分析用Dunnett-t检验(n=5)。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
通过PCR扩增首次证实18个水蚤GPCR基因在转录水平上的表达(见图 1),并观察了异丙酚、依托咪酯和酒精对这些基因在转录水平表达的影响(见图 2)。

(a)GABAB受体;(b)代谢性谷氨酸受体;(c)肾上腺素能受体;(d)5-羟色胺受体;(e)多巴胺受体;(f)毒蕈碱型受体
Figure1. Phylogenetic trees of GPCR(a) GABAB receptor; (b) metabotropic glutamate receptors; (c) adrenergic receptor; (d) serotonin receptor; (e) dopamine receptor; (f) muscarinic acetylcholine receptor

(a)异丙酚;(b)依托咪酯;(c)酒精。与对照组比较,*
(a) propofol; (b) etomidate; (c) ethanol. Compared with control group,*
2.1 系统进化分析
哺乳动物的GABAB受体由GABAB1亚基和GABAB2亚基异源二聚化形成。无脊椎动物的GABAB受体还存在GABAB3亚基[10]。水蚤基因组中有3个GABAB受体基因:GABBR1、GABBR2和GABBR3[见图 1(a)]。
肾上腺素能受体广泛存在于中枢和外周器官中,根据药理学特性分为α1、α2和β三类[12]。无脊椎动物章鱼胺受体在结构和功能上同源于脊椎动物肾上腺素能受体[13]。水蚤基因组中存在三个章鱼胺受体的基因[见图 1(c)]:ADRA、Oamb和Oamb-beta,其中ADRA在果蝇缺失。
人的5-HT受体可以分为7类:5-HTR1~5-HTR7。除5-HT3受体为配体门控离子通道外,其余的受体为GPCR。水蚤基因组中存在4个5-HT受体基因:5-HT1A、5HT1B、5-HT2和5-HT7[见图 1(d)]。
人的多巴胺受体基因有五种:DRD1~DRD5,其中DRD1和DRD5为D1样受体,激活后升高细胞内cAMP水平,DRD2~DRD4为D2样受体,激活后降低细胞内cAMP水平。水蚤存在3个多巴胺基因:DopR1、DopR2和D2R。水蚤的DopR1和DopR2接近于人的D1样受体[14][见图 1(e)]。水蚤的D2R受体接近于人的D2样受体。
毒蕈碱型受体(mAChR)为G蛋白偶联的乙酰胆碱能受体,主要表达在副交感神经节后纤维支配的效应器细胞上。1个毒蕈碱型受体基因存在于水蚤基因组中[见图 1(f)]。
2.2 药物对水蚤的运动抑制和基因表达影响
异丙酚对水蚤产生运动抑制的半数有效浓度为58 μmol/L,依托咪酯的半数有效浓度为667 μmol/L。酒精需要更大的浓度才能对水蚤产生运动抑制,其半数有效浓度为15.4 mmol/L。异丙酚和酒精对水蚤的运动抑制有效浓度接近于对人产生镇定效果的浓度,而依托咪酯对水蚤产生运动抑制的有效浓度远大于用于临床麻醉的浓度。
为避免运动抑制可能影响水蚤基因表达,实验最终选择异丙酚25 μmol/L、依托咪酯250 μmol/L和酒精2 mmol/L处理水蚤。根据已经设计的引物进行基因表达研究(见表 1)。

经过药物分别处理4 h后,对18个G蛋白基因进行定量PCR检测。异丙酚影响3个水蚤基因表达:上调mGluRA基因表达,下调GABBR3和D2R基因表达[见图 2(a)]。依托咪酯影响6个水蚤基因表达:上调GABBR2、mGluRA和Oamb,下调GABBR3、5-HT1A和D2R[见图 2(b)]。酒精上调3个水蚤基因表达:GABBR1、GABBR2和Oamb[见图 2(c)]。
3 讨论
在神经系统,GABAB受体介导慢抑制性突触传递[15],和很多生理和病理过程有关,包括海马的长时程增强、慢波睡眠、肌肉松弛和镇痛作用[16]。酒精可通过GABAB受体影响小鼠的运动行为[17],类似情况也在果蝇中被发现[18]。有人发现酒精可以增加大脑皮层GABAB1和GABAB2的蛋白表达,也增加海马GABAB2的蛋白表达,同时海马的GABAB1和GABAB2的mRNA水平也被酒精增强[19]。我们在水蚤中观察到类似的趋势,说明水蚤可被用来作为模式动物研究酒精耐受问题。目前尚无关于麻醉药如何影响GABAB受体基因表达的报道。我们发现水蚤的GABBR2的表达被依托咪酯增强,而GABBR3的表达被异丙酚和依托咪酯下调。由于GABBR3与人的GABAB受体的亲缘关系较远,目前还很难推断其可能的功能。
哺乳动物和低等动物的代谢性谷氨酸受体具有类似的细胞功能。Ⅰ型受体主要分布于突触后,可以增加神经元的兴奋性,Ⅱ型和Ⅲ型mGluR主要分布于突触前,可以抑制神经递质如谷氨酸或GABA的释放。mGluR与多种生理活动有关,包括突触塑性[20]、认知[21]、运动协调[22]、酒精耐受或戒断。在小鼠伏隔核,酒精可以增加Ⅰ型mGluR(mGluR5)的表达[23]。酒精耐受动物的Ⅱ型mGluR的敏感性下降[24]。果蝇的mGluRA调节突触前兴奋依赖的递质释放,同时调节神经元的可塑性[25]。我们发现水蚤Ⅱ型mGluR(即mGluRA)基因的表达显著地被异丙酚和依托咪酯上调。如果这一现象伴随蛋白质水平的变化,那么麻醉药的使用可能会影响特定人群与突触塑性相关的机体功能,如学习和记忆。
在哺乳动物,多巴胺系统与动物的奖励和动机行为[26]、生物节律[27]、学习记忆[28]甚至镇痛[29]密切相关,并且与年龄依赖的认知功能障碍有关。多巴胺系统的这种功能在进化上得到保留[30-32]。例如,果蝇多巴胺系统与生物节律密切相关[33],也与奖励和动机行为有关[34]。生物节律和学习记忆是相关的,果蝇多巴胺受体D2R基因表达增加能够抵抗睡眠剥夺对长时间记忆的影响[35]。我们的研究发现,多巴胺受体D2R的基因表达被两种静脉麻醉药下调,提示该受体可能在全麻药对认知功能的影响中起作用。
章鱼胺(octopamine)作为神经递质、神经调制物和神经激素,是高等动物去甲肾上腺素的功能类似物[36]。章鱼胺受体与脊椎动物肾上腺素能受体为同源蛋白。在昆虫中,章鱼胺和多巴胺共同构成寻赏学习系统[34]。另外,章鱼胺参与进攻性(好斗行为,aggression)的调节,能够降低动物的进攻性。这对应于去甲肾上腺素在哺乳动物中的功能。敲除α2C受体的小鼠进攻性增强[37]。在水蚤中,章鱼胺受体Dp_Oamb的mRNA可以被依托咪酯和酒精上调。目前对Oamb的理解很少,因此,尚难以推测依托咪酯诱导的Oamb mRNA改变的可能后果。
五羟色胺(5-hydroxy tryptamine,5-HT)的功能在进化上非常保守[38-39],因此,节肢动物常被作为模式动物研究动物行为的神经生理学基础。其中研究较多的是5-HT与动物的社会行为的关系。在调节动物行为方面,5-HT的作用与章鱼胺相反。5-HT1A受体的过度激活可以增加动物的进攻性。我们发现,依托咪酯可以显著下调5-HT1A受体的mRNA水平,幅度约为14%。尽管如此,结合依托咪酯和酒精对章鱼胺受体Dp_Oamb的作用,该结果暗示麻醉药可能会改变动物的高级行为。其它几种5-HT受体均不受异丙酚、依托咪酯和酒精的影响。
总之,无脊椎动物和高等动物代谢型神经递质受体在功能上极为相似。正因为如此,我们对甲壳动物水蚤进行了一系列研究,旨在提供能够用于揭示疾病机制的模型系统。我们的研究表明,小分子药物可以在转录水平广泛地影响GPCR的表达。这些变化是否会导致蛋白表达的变化有待于进一步的研究。与果蝇相比,水蚤不仅在遗传学方面,还在表观遗传学和药理学方面有不可替代的优势。
引言
全身麻醉涉及很多要素,比如镇静、意识消失、足够的镇痛和适度的肌肉松弛。到目前为止,麻醉作用机制仍不清楚。人们通常认为麻醉药物的作用更多涉及中枢神经系统离子通道,如GABA门控的离子通道 (即GABAA受体)、NMDA型谷氨酸门控的离子通道(即GluN受体或NMDA受体)和钾离子通道。然而,近年来的研究表明,临床上常用的麻醉药可直接作用于G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptor,GPCR)[1-3],包括毒蕈碱型受体、代谢性谷氨酸受体、5-HT2A受体,麻醉药可能会通过GPCR对机体产生持续性影响。但是,目前尚无有关麻醉药对GPCR基因表达影响的系统报道。另外,日常生活中饮用的酒精也能产生麻醉效果并影响GPCR的功能或表达。显然,临床试验研究麻醉药如何影响GPCR并不可行,通过动物模型进行相关研究能够弥补临床试验的不足。
不同物种的麻醉行为均服从迈耶-奥弗顿(Meyer-Overton)法则[4-5],暗示不同物种有相同或类似的全麻机制。与果蝇一样,作为人类疾病模型的模式动物,水蚤有饲养简单、繁殖力强、子代数量多和生命周期短的优点,另外水蚤可孤雌生殖形成克隆群体,同时生活于水中,更适合表观遗传学和药理学的研究。基于该优点,我们通过定量PCR,系统研究了异丙酚、依托咪酯和酒精对单克隆水蚤种群代谢型神经递质受体的基因表达的影响。
1 材料与方法
1.1 水蚤培养
水蚤的培养方法和以前发表的文章描述相同[6]。在恒温(20±1)℃和可控光照周期(16 h∶8 h的光-暗周期)的水缸内,用酵母菌和螺旋藻混合喂养水蚤。每天清晨更换1/5水量。
1.2 序列分析和多重序列比对
使用果蝇或人的蛋白查询序列在水蚤基因组数据库(www.fleabase.org) 中搜索同源基因,然后根据最大似然法,用MEGA 5.10软件构建进化树[
1.3 药物对水蚤的运动抑制观察
将50只水蚤放于含有药物(异丙酚、依托咪酯或酒精)的溶液中,30 min后,将沉落在容器底部且存在心跳的水蚤判定为受到药物影响而产生运动抑制。
1.4 RNA提取、逆转录和多重PCR
总RNA提取、逆转录和PCR同以前文献描述一致。实验每次用50只水蚤经药物处理4 h后分离、沉淀和纯化提取总RNA。选用PrimeScriptTM RT reagent Kit DRR037A(TaKaRa)逆转录cDNA。用Primer 3软件设计对应水蚤基因的引物[8],首次扩增时用普通PCR确定扩增产物和引物质量,并用qPCR再次确定产物质量和引物扩增效率,药物组分别与对照组比较,观察水蚤G蛋白基因表达量的相对改变,对照组基因表达量定为1。在iQ5 system (Bio-Rad)中,选用SYBR Premix Ex TaqTM Ⅱ KIT DRR081A(TaKaRa)进行扩增。每个反应体系均为20 μL,包含2 μL cDNA和0.8 μmol/L引物。反应条件包括三步:① 95 ℃激活DNA聚合酶30 s;② 重复反应40个循环,每个循环包括95 ℃(5 s),55 ℃(30 s)和72 ℃(30 s);③ 从55 ℃升温至95 ℃,每升高0.5 ℃后检测荧光信号30 s。根据2-ΔΔCT理论计算水蚤基因相对表达分析[9]。实验选用β-actin基因进行标准化。基因相对表达量用均数±标准差表示,每组数据为5次独立的实验。基因表达的统计学分析用Dunnett-t检验(n=5)。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
通过PCR扩增首次证实18个水蚤GPCR基因在转录水平上的表达(见图 1),并观察了异丙酚、依托咪酯和酒精对这些基因在转录水平表达的影响(见图 2)。

(a)GABAB受体;(b)代谢性谷氨酸受体;(c)肾上腺素能受体;(d)5-羟色胺受体;(e)多巴胺受体;(f)毒蕈碱型受体
Figure1. Phylogenetic trees of GPCR(a) GABAB receptor; (b) metabotropic glutamate receptors; (c) adrenergic receptor; (d) serotonin receptor; (e) dopamine receptor; (f) muscarinic acetylcholine receptor

(a)异丙酚;(b)依托咪酯;(c)酒精。与对照组比较,*
(a) propofol; (b) etomidate; (c) ethanol. Compared with control group,*
2.1 系统进化分析
哺乳动物的GABAB受体由GABAB1亚基和GABAB2亚基异源二聚化形成。无脊椎动物的GABAB受体还存在GABAB3亚基[10]。水蚤基因组中有3个GABAB受体基因:GABBR1、GABBR2和GABBR3[见图 1(a)]。
肾上腺素能受体广泛存在于中枢和外周器官中,根据药理学特性分为α1、α2和β三类[12]。无脊椎动物章鱼胺受体在结构和功能上同源于脊椎动物肾上腺素能受体[13]。水蚤基因组中存在三个章鱼胺受体的基因[见图 1(c)]:ADRA、Oamb和Oamb-beta,其中ADRA在果蝇缺失。
人的5-HT受体可以分为7类:5-HTR1~5-HTR7。除5-HT3受体为配体门控离子通道外,其余的受体为GPCR。水蚤基因组中存在4个5-HT受体基因:5-HT1A、5HT1B、5-HT2和5-HT7[见图 1(d)]。
人的多巴胺受体基因有五种:DRD1~DRD5,其中DRD1和DRD5为D1样受体,激活后升高细胞内cAMP水平,DRD2~DRD4为D2样受体,激活后降低细胞内cAMP水平。水蚤存在3个多巴胺基因:DopR1、DopR2和D2R。水蚤的DopR1和DopR2接近于人的D1样受体[14][见图 1(e)]。水蚤的D2R受体接近于人的D2样受体。
毒蕈碱型受体(mAChR)为G蛋白偶联的乙酰胆碱能受体,主要表达在副交感神经节后纤维支配的效应器细胞上。1个毒蕈碱型受体基因存在于水蚤基因组中[见图 1(f)]。
2.2 药物对水蚤的运动抑制和基因表达影响
异丙酚对水蚤产生运动抑制的半数有效浓度为58 μmol/L,依托咪酯的半数有效浓度为667 μmol/L。酒精需要更大的浓度才能对水蚤产生运动抑制,其半数有效浓度为15.4 mmol/L。异丙酚和酒精对水蚤的运动抑制有效浓度接近于对人产生镇定效果的浓度,而依托咪酯对水蚤产生运动抑制的有效浓度远大于用于临床麻醉的浓度。
为避免运动抑制可能影响水蚤基因表达,实验最终选择异丙酚25 μmol/L、依托咪酯250 μmol/L和酒精2 mmol/L处理水蚤。根据已经设计的引物进行基因表达研究(见表 1)。

经过药物分别处理4 h后,对18个G蛋白基因进行定量PCR检测。异丙酚影响3个水蚤基因表达:上调mGluRA基因表达,下调GABBR3和D2R基因表达[见图 2(a)]。依托咪酯影响6个水蚤基因表达:上调GABBR2、mGluRA和Oamb,下调GABBR3、5-HT1A和D2R[见图 2(b)]。酒精上调3个水蚤基因表达:GABBR1、GABBR2和Oamb[见图 2(c)]。
3 讨论
在神经系统,GABAB受体介导慢抑制性突触传递[15],和很多生理和病理过程有关,包括海马的长时程增强、慢波睡眠、肌肉松弛和镇痛作用[16]。酒精可通过GABAB受体影响小鼠的运动行为[17],类似情况也在果蝇中被发现[18]。有人发现酒精可以增加大脑皮层GABAB1和GABAB2的蛋白表达,也增加海马GABAB2的蛋白表达,同时海马的GABAB1和GABAB2的mRNA水平也被酒精增强[19]。我们在水蚤中观察到类似的趋势,说明水蚤可被用来作为模式动物研究酒精耐受问题。目前尚无关于麻醉药如何影响GABAB受体基因表达的报道。我们发现水蚤的GABBR2的表达被依托咪酯增强,而GABBR3的表达被异丙酚和依托咪酯下调。由于GABBR3与人的GABAB受体的亲缘关系较远,目前还很难推断其可能的功能。
哺乳动物和低等动物的代谢性谷氨酸受体具有类似的细胞功能。Ⅰ型受体主要分布于突触后,可以增加神经元的兴奋性,Ⅱ型和Ⅲ型mGluR主要分布于突触前,可以抑制神经递质如谷氨酸或GABA的释放。mGluR与多种生理活动有关,包括突触塑性[20]、认知[21]、运动协调[22]、酒精耐受或戒断。在小鼠伏隔核,酒精可以增加Ⅰ型mGluR(mGluR5)的表达[23]。酒精耐受动物的Ⅱ型mGluR的敏感性下降[24]。果蝇的mGluRA调节突触前兴奋依赖的递质释放,同时调节神经元的可塑性[25]。我们发现水蚤Ⅱ型mGluR(即mGluRA)基因的表达显著地被异丙酚和依托咪酯上调。如果这一现象伴随蛋白质水平的变化,那么麻醉药的使用可能会影响特定人群与突触塑性相关的机体功能,如学习和记忆。
在哺乳动物,多巴胺系统与动物的奖励和动机行为[26]、生物节律[27]、学习记忆[28]甚至镇痛[29]密切相关,并且与年龄依赖的认知功能障碍有关。多巴胺系统的这种功能在进化上得到保留[30-32]。例如,果蝇多巴胺系统与生物节律密切相关[33],也与奖励和动机行为有关[34]。生物节律和学习记忆是相关的,果蝇多巴胺受体D2R基因表达增加能够抵抗睡眠剥夺对长时间记忆的影响[35]。我们的研究发现,多巴胺受体D2R的基因表达被两种静脉麻醉药下调,提示该受体可能在全麻药对认知功能的影响中起作用。
章鱼胺(octopamine)作为神经递质、神经调制物和神经激素,是高等动物去甲肾上腺素的功能类似物[36]。章鱼胺受体与脊椎动物肾上腺素能受体为同源蛋白。在昆虫中,章鱼胺和多巴胺共同构成寻赏学习系统[34]。另外,章鱼胺参与进攻性(好斗行为,aggression)的调节,能够降低动物的进攻性。这对应于去甲肾上腺素在哺乳动物中的功能。敲除α2C受体的小鼠进攻性增强[37]。在水蚤中,章鱼胺受体Dp_Oamb的mRNA可以被依托咪酯和酒精上调。目前对Oamb的理解很少,因此,尚难以推测依托咪酯诱导的Oamb mRNA改变的可能后果。
五羟色胺(5-hydroxy tryptamine,5-HT)的功能在进化上非常保守[38-39],因此,节肢动物常被作为模式动物研究动物行为的神经生理学基础。其中研究较多的是5-HT与动物的社会行为的关系。在调节动物行为方面,5-HT的作用与章鱼胺相反。5-HT1A受体的过度激活可以增加动物的进攻性。我们发现,依托咪酯可以显著下调5-HT1A受体的mRNA水平,幅度约为14%。尽管如此,结合依托咪酯和酒精对章鱼胺受体Dp_Oamb的作用,该结果暗示麻醉药可能会改变动物的高级行为。其它几种5-HT受体均不受异丙酚、依托咪酯和酒精的影响。
总之,无脊椎动物和高等动物代谢型神经递质受体在功能上极为相似。正因为如此,我们对甲壳动物水蚤进行了一系列研究,旨在提供能够用于揭示疾病机制的模型系统。我们的研究表明,小分子药物可以在转录水平广泛地影响GPCR的表达。这些变化是否会导致蛋白表达的变化有待于进一步的研究。与果蝇相比,水蚤不仅在遗传学方面,还在表观遗传学和药理学方面有不可替代的优势。