果蝇体内钙元素调节的神经机制

钙对所有真核生物的多项生理活动至关重要，细胞外液钙水平需维持在狭小范围内以保证细胞钙供应。脊椎动物通过饮食获取钙，进化出骨骼重塑和钙代谢相关内分泌系统（如甲状旁腺激素PTH）来精确调节钙稳态：钙缺乏时，PTH作用于骨骼和肾脏升高血钙，缺乏则导致低钙血症和神经肌肉功能障碍。然而，多数无脊椎动物（包括陆生节肢动物）无骨骼储钙，基因组中也无PTH同源基因，却能进行钙依赖性生理活动，暗示其存在未知的钙调节内分泌机制。

为探究陆生无脊椎动物的钙稳态调节机制，研究人员以果蝇为模型。他们改良化学限定的全纯培养基（HM）得到无钙全纯培养基（CFHM），发现从三龄幼虫期开始饲喂CFHM的幼虫，血淋巴钙水平约为标准全纯培养基（SHM）饲喂组的一半（即低钙血症），且运动活性降低，蛹体轴长比（长/宽）增加（蛹体变长），这与肌肉功能障碍突变体相似。进一步研究显示，钙缺乏会减少幼虫骨骼肌收缩强度和频率，注射钙螯合剂EGTA也会诱导蛹体变长，表明蛹体变长是钙缺乏导致肌肉功能障碍的结果。若从更早的幼虫期（一龄或二龄）开始饲喂CFHM，幼虫死亡率随饲喂时间增加而升高，存活幼虫血淋巴钙和运动活性显著降低，蛹体变长且与血淋巴钙水平负相关。而饲喂无镁培养基的幼虫虽死亡率高，但存活者蛹体不变长，说明果蝇存在钙储备和动员系统以应对饮食钙缺乏。当用不同钙浓度的HM饲喂三龄幼虫时，0.2 mM钙组（远低于标准果蝇食物的2.5 mM）血淋巴钙水平与1.0或5.0 mM组相当，蛹体轴长比和存活率正常，进一步证实果蝇存在钙动员系统缓冲饮食钙波动。

基于上述发现，研究人员假设果蝇中存在类似PTH的钙动员因子，通过RNAi筛选神经肽和肽激素基因，发现敲低Capability（Capa）基因会显著增加蛹体轴长比，产生与CFHM饲喂组相似的蛹体变长表型，且Capa RNAi幼虫运动活性降低、血淋巴钙减少。Capa在果蝇中枢神经系统（CNS）的食道下神经节神经元（SEGNs）和腹侧神经元（VaNs）中表达，VaNs的轴突延伸至神经血释放位点——横神经（TVNs）。利用不同Gal4驱动子进行细胞特异性敲低发现，仅VaNs中敲低Capa会诱导蛹体变长，SEGNs敲低则不会；VaN特异性敲低、遗传消融、失活Capa均会降低幼虫运动活性、增加蛹体轴长比、降低血淋巴钙，而激活VaN则略微升高血淋巴钙，表明VaN分泌的Capa调节血淋巴钙。

Capa基因编码的前体可被切割为三种PRX - 酰胺肽：Capa - 1、Capa - 2和Pyrokinin - 1（PK - 1），其中Capa - 1和Capa - 2特异性作用于Capa受体（CapaR），PK - 1作用于Pyrokinin 1受体（PK1 - R）。泛敲CapaR会导致幼虫运动活性降低、蛹体变长、血淋巴钙减少，而敲低PK1 - R无此表型，表明Capa - 1和Capa - 2通过CapaR调节血淋巴钙。CapaR主要在马氏管（MT，类似哺乳动物肾脏）中表达，尤其在马氏管前段（A - MT）的初始段（IS）主细胞的基底膜上高度表达。利用马氏管特异性驱动子敲低CapaR发现，仅在IS主细胞中敲低CapaR会诱导蛹体变长、降低运动活性和血淋巴钙，其他部位敲低无此表型，说明A - MT的IS是CapaR发挥作用的部位。

研究人员发现，A - MT的IS管腔中充满白色颗粒，其钙含量约占果蝇全身钙的一半。扫描电镜显示这些颗粒呈珍珠状（珍珠状钙颗粒，PCGs），电子探针微量分析表明其主要成分为钙，还含磷、氧和碳（即磷酸钙和碳酸钙），说明IS是果蝇储存钙的特化组织。体外培养马氏管实验显示，Capa - 1和Capa - 2（而非PK - 1）可显著减少马氏管钙含量，且CapaR敲低会抵消此作用，表明Capa肽直接作用于IS动员储存钙。通过IS特异性敲低Gα蛋白和蛋白激酶基因，发现敲低Gαq编码基因CG17759或蛋白激酶Cε编码基因Pkc98E会导致蛹体变长、血淋巴钙降低，且会消除Capa肽的钙动员作用，表明Capa通过CapaR - Gαq - PKC信号通路动员管腔钙至血淋巴。

钙缺乏时，VaNs中成熟Capa肽的免疫反应性降低（肽激素免疫反应性与其分泌呈负相关），表明钙缺乏促进VaN分泌Capa。当幼虫饲喂CFHM时，A - MT的钙含量随饲喂时间显著降低，而IS特异性敲低CapaR会抑制这种降低，说明钙动员依赖Capa - CapaR。Capa/CapaR RNAi幼虫的血淋巴钙水平与饮食钙浓度直接相关（即钙稳态破坏），在低钙培养基中存活率显著降低，而高钙培养基可恢复其血淋巴钙水平和存活率，饲喂高钙食物也能缓解其蛹体变长表型，证实Capa - CapaR依赖的钙动员对维持血淋巴钙稳态至关重要。

综上，果蝇中VaNs分泌的Capa肽作用于A - MT的IS，通过CapaR - Gαq - PKC通路动员PCGs中的钙至血淋巴，维持钙稳态，其功能类似脊椎动物的PTH系统，为陆生无脊椎动物的钙调节机制提供了全新解释。