与硬壳蛤（Meretrix meretrix）“漂移”行为相关的SCP基因的爆发性扩张和功能特化

《Comparative Biochemistry and Physiology Part D: Genomics and Proteomics》：Explosive expansion and functional specialization of SCP genes associated with “drifting” behavior in the hard clam Meretrix meretrix

通过比较基因组学和转录组学分析，发现SCPs基因家族在软体动物中的大规模扩张与功能分化，特别是海扇目蛤蜊的MmerSCP14基因在漂浮行为中调控钙离子介导的粘液分泌。

　　

傅路璐|史和明|金迪迪|姚涵涵|何琳|林志华|陈海民|董英辉

宁波大学海洋科学学院，中国宁波315010

摘要

肌浆钙结合蛋白（SCPs）是无脊椎动物中调节Ca²⁺稳态的关键细胞内因子，其进化动态与物种特异性的生理功能密切相关。然而，SCP基因家族的扩张如何影响生物体的生理行为仍不清楚。本研究通过系统发育和基因组分析发现，SCP基因家族经历了由大量串联重复事件驱动的快速扩张，尤其是在那些面临极端生理需求的物种中，如笠贝和扇贝。转录组分析表明，这些扩增的SCP基因发生了显著的功能分化，在扇贝的闭壳肌、足部、外套膜和血淋巴中具有特异性的表达模式。这种“功能放大”可能为扇贝适应潮间带环境提供了分子基础，有助于它们快速挖掘和免疫防御等特性。作为背景，硬壳蛤Meretrix meretrix展现了一种与其特殊“漂浮”行为相关的机制。我们鉴定出一个关键的同源基因MmerSCP14，它在漂浮过程中特异性且高表达。生化实验证实该蛋白能够结合Ca²⁺而不结合Mg²⁺。作为高保真的Ca²⁺响应开关，MmerSCP14可能在维持漂浮过程中的黏液分泌中起重要作用。这些发现将基因组扩张、组织水平的功能分化和行为相关的新生功能联系起来，支持大规模基因重复可以为海洋无脊椎动物复杂的表型提供新的调控机制。

引言

钙离子（Ca²⁺）是高度保守的第二信使，调控真核细胞中的许多关键过程，包括肌肉收缩（Berridge等人，2003年）。在肌细胞中，细胞质Ca²⁺的短暂升高是激活收缩机制的关键信号。这一过程依赖于Ca²⁺感应蛋白，其中EF-hand结构域是关键的Ca²⁺结合基序。在脊椎动物中，原肌球蛋白C（TnC）作为细丝调节的核心调节因子，能够感知Ca²⁺并解除肌球蛋白的抑制作用，从而触发肌动蛋白和肌球蛋白之间的交叉桥循环（Kü?ükdogru等人，2025年；Laitila等人，2025年）。相比之下，许多无脊椎动物（包括节肢动物和软体动物）缺乏完整的TnC调节系统。相反，肌浆钙结合蛋白（SCPs）成为无脊椎动物肌肉细胞中Ca²⁺稳态的关键调节因子（Hermann和Cox，1995年；Cao等人，2019年）。作为高容量、低亲和力的可溶性Ca²⁺缓冲剂，SCPs与肌浆网Ca²⁺-ATP酶（SERCA）共同作用，迅速清除收缩后释放到肌浆中的Ca²⁺，从而加速肌肉松弛（Hermann和Cox，1995年；Bravo-Sagua等人，2020年；Conte等人，2023年）。因此，SCPs的丰度和效率直接影响肌肉的最大松弛速度和抗疲劳能力。

对SCPs的研究始于1973年，最初是对副白蛋白的生化研究。在寻找无脊椎动物肌肉中的类似副白蛋白的蛋白质时，研究人员发现了SCPs——这些蛋白质被认为具有与脊椎动物副白蛋白相似的功能，即促进肌肉松弛（Cox等人，1976年；Cox，1990年）。后续研究表明，SCPs在越来越多的无脊椎动物类群中以多个拷贝的形式存在，并在不同门类中表现出明显的遗传多态性（Takagi等人，1992年；White等人，2011年；Thiruketheeswaran等人，2016年）。在欧洲文昌鱼Branchiostoma lanceolatum中，已经报道了多种SCP异构体，表明该家族的扩张早在早期脊索动物时期就开始了（Takagi和Cox，1990年）。在甲壳类动物中，淡水小龙虾Procambarus clarkii中发现了三种剪接变体（pcSCP1a/1b/1c），其在轴向腹肌中的表达量比在心脏中高出约10万倍。SCP的表达水平在寒冷胁迫下也会下降，表明其具有组织特异性，并与肌肉收缩速度呈正相关（Gao等人，2006年；White等人，2011年）。在虾Litopenaeus vannamei中，已经从物理化学和免疫学角度对其SCP同源物进行了研究（Zhao等人，2022a；Zhao等人，2022b）。在海洋蜗牛Aplysia californica中，两种SCP异构体表现出不同的组织分布：SCP II类似蛋白定位于与收缩装置紧密相关的肌肉纤维中，而SCP I类似亚型则局限于特定神经元（Pauls等人，1993年）。此外，SCPs在多种甲壳类和软体动物中是主要的过敏原，其构象表位能够引发宿主的免疫反应（Jerry等人，2024年；Chen等人，2025年；Zhu等人，2025年）。在果蝇Drosophila melanogaster中，通过抗体筛选和Southern印迹分析发现了一个多拷贝的SCP基因家族，其中至少有一个多拷贝位点位于第三染色体的β-异染色质区域内（Kelly等人，1997年）。总体而言，这些观察结果表明SCPs在无脊椎动物类群中经历了广泛的复制和扩张，并伴随着功能多样化。

扇贝科（Veneridae）的成员栖息在潮间带和浅海沿海生态系统中，这些生物面临着潮汐、捕食和快速环境变化的复杂挑战（Kaneko等人，2016年；Pita等人，2019年）。除了典型的足部驱动挖掘行为外，硬壳蛤Meretrix meretrix还进化出一种独特的主动移动策略，称为“漂浮”（当地称为“paoliu”（Hamada和Ino，1954年）。在本研究中，漂浮被定义为一种自愿的、由生理机制介导的行为，个体通过分泌连续透明的黏液绳来充当流体动力“帆”。与被动运输不同（被动运输中生物体被水流无意中带走），漂浮是一种协调的反应，通过黏液的释放增加阻力，实现可控的长距离移动，以应对潮汐变化或逃避压力（视频S1；图S1）（S?rlin，1988年；Hiddink等人，2002年；Yasuo，2015年）。从生理学角度来看，漂浮行为依赖于快速而持续的黏液分泌，这一胞吐过程需要精确调节细胞内的Ca²⁺稳态，因此钙结合蛋白起着核心作用（Burgoyne和Morgan，2003年）。

SCPs是无脊椎动物中细胞内Ca²⁺动态的关键调节因子（Hermann和Cox，1995年），但它们的进化历史和功能多样化仍不甚清楚。特别是，SCP基因拷贝数的变化和谱系特异性的重复如何影响不同类群的调控灵活性尚不清楚。在这里，我们对不同后生动物的SCP基因家族进行了比较基因组和转录组分析，重建了它们的进化历史，并研究了代表性双壳类动物的组织特异性表达模式。以M. meretrix为例，我们进一步分析了漂浮行为前、中、后的SCP表达动态，并鉴定出MmerSCP14作为黏液分泌的候选调节因子。通过将SCP基因家族的进化与重要的行为表型联系起来，本研究揭示了基因组创新如何有助于海洋无脊椎动物的适应性策略。

SCP基因家族成员的鉴定、验证和特征分析

为了系统地鉴定SCP基因家族成员，我们使用了UniProt/Swiss-Prot中整理的经过实验验证的SCP蛋白序列作为查询。对所有目标物种的蛋白质组进行了BLASTP搜索（E值<1e-10），并去除了重复的 hit（Chen等人，2020年）。然后使用NCBI保守结构域数据库（CDD）、SMART和Pfam对这些非冗余候选蛋白进行了互认域验证。只有含有至少一个典型EF-hand结构域的蛋白被进一步研究。

后生动物中SCP基因家族的谱系特异性丢失和极端扩张

对代表性后生动物的全基因组调查显示，脊椎动物（H. sapiens、M. musculus、X. laevis和D. rerio）以及棘皮动物（A. purpuratus、S. japonicus）和刺胞动物（N. vectensis、P. verrucosa）中完全缺乏SCP基因。相比之下，SCP基因家族在不同无脊椎动物类群中表现出显著的拷贝数变异，物种间的差异超过两个数量级。值得注意的是，扇贝科（Veneridae）的物种拥有...

讨论

在进化生物学中，基因家族的扩张和收缩被认为是物种适应生态位和发育新表型的关键机制（Innan和Kondrashov，2010年）。在本研究中，我们研究了SCP基因家族，并记录了它在多个无脊椎动物类群中的广泛扩张，特别是在软体动物扇贝科（Veneridae）中。我们还描述了这种大规模基因组模式与特殊漂浮行为之间的关联...

结论

总之，本研究提出了一个多尺度框架，将SCP基因家族中的基因、分子功能和生物体表型联系起来。我们发现SCP基因在扇贝科（Veneridae）和笠贝中经历了广泛扩张，同时伴随着长期的同源基因功能分化。在扇贝科中，串联重复似乎放大了祖先的功能分区模式，产生了一个庞大且组织特异化的SCP基因库，这与增强的肌肉...

CRediT作者贡献声明

傅路璐：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，调查，数据管理。史和明：可视化。金迪迪：数据管理。姚涵涵：撰写 – 审稿与编辑。何琳：监督。林志华：资金获取。陈海民：撰写 – 审稿与编辑。董英辉：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。

利益冲突声明

我们声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了中国农业研究系统（由农业农村部和海洋与渔业局共同支持）（CARS-49项目）、宁波市科技创新青年领军人才项目（2024QL065项目）以及国家海洋遗传资源中心计划的资助。