信息素在不同动物类群和物种之间的化学通讯中扮演着关键角色。不同物种间信息素的多样性和普遍性凸显了其在繁殖和交流中的重要作用。在两栖类中，蛋白类信息素在求偶和繁殖行为中尤为重要，有助于调节潜在配偶之间的相互作用并影响繁殖成功率。其中，蝾螈类诱雌肽前体因子类似物（sodefrin precursor-like factor, SPF）因其普遍存在和重要功能而广受关注。在化学通讯为主的有尾目中，SPF信息素已经得到了充分的研究，包括其类型、进化关系及功能等。然而，对以声音通讯为主的无尾两栖动物，化学通讯研究显著滞后，阻碍了对两栖类信息素多样性、进化和功能的全面认识和深入理解。

为此，中国科学院成都生物研究所谢锋研究员团队以既具有声音通讯（声囊），又具有特殊繁殖腺体（肩腺）的仙琴蛙为研究对象，综合采用显微组化、多组学（全基因组、转录组、代谢组）、蛋白重组表达和动物行为实验等方法技术，通过多维数据的整合分析，对无尾类SPF信息素的进化、功能和调控机制进行了深入的探究。

该研究获取了仙琴蛙的高质量的、组装到染色体水平的基因组（图1）。在无尾类中仙琴蛙具有相对较大的基因组，大小达6.1Gb，包含 13 条染色体；比较基因组分析显示，在254个扩张基因家族中有4个基因家族被注释到与信息素相关的条目中。重复序列较高和LTR转座子扩张是该物种具有相对较大基因组的主要原因。

图1. 仙琴蛙的进化史

SPF信息素属双结构域三指蛋白（Two domain three finger protein, 2D-TFP）家族成员，系统发育分析（图2）揭示了2D-TFP在脊椎动物中的广泛分布，其中在两栖动物中观察到了多种亚型。虽然有些序列因其具备SPF功能而为人所知，但许多亚型的功能尚未确定。鉴定出的2D-TFP基因被集中定位在少数染色体上，暗示其通过基因复制获得功能。

图2 脊椎动物中2D-TFP的进化

通过比较转录组分析（图3），发现在仙琴蛙的基因组中并非所有的2D-TFP基因都具有高表达水平，只有6个基因在繁殖季节的雄性肩腺中表现出显著升高的表达水平，最终被确定为仙琴蛙的SPF信息素。

图3 2D-TFP基因在仙琴蛙中的表达模式

仙琴蛙的SPF与之前基于有尾类鉴定的α-SPF和β-SPF具有显著不同的结构特征（图4），其在第一结构域含有11个半胱氨酸残基，第二结构域含有9个。将仙琴蛙的SPF信息素结合已知的两栖类SPF信息素一起构建两栖类SPF最大似然树，结果表明，无尾类的SPF与有尾类的SPF相似，都被归为两个不同的组别。位于系统发育基底的α-SPF含有最少的二硫键，而σ-SPF含有最多的二硫键。提示SPF蛋白的进化可能涉及胱氨酸残基的增加，这有助于形成更多的二硫键，提高结构的稳定性。基于氨基酸序列相似性、二硫键数量和空间结构分析，将无尾类SPF新分为两个大类：γ-SPFs和σ-SPFs。这些新SPF类型的发现丰富了对两栖动物SPF多样性的认知，并提示物种多样性丰富、繁殖腺体结构复杂多样的无尾类的信息素多样性及其功能可能被严重低估。

图4 两栖动物SPF性信息素系统的分类

WGCNA分析表明（图5），SPF的分泌与信息素合成、信息素代谢、类固醇合成和代谢相关的途径有关，提示激素调节了SPF的分泌。对繁殖季肩腺和背皮中差异表达基因的GO富集分析进一步支持了这一假设。基于代谢组与转录组联合分析，确定睾酮合成途径是SPF分泌的重要贡献者。因此，该研究提出了一种无尾类SPF的调节机制，其中下丘脑-垂体轴释放促黄体生成素（LH），触发睾丸（生殖腺）内睾酮的合成，进一步促进了肩腺（繁殖腺）的功能激活，最终驱动SPF的分泌和释放。

为验证信息素在无尾两栖类中的功能，通过蛋白重组表达获得了仙琴蛙的SPF蛋白。雌性选择偏好行为实验结果（图5）表明，仙琴蛙的SPF蛋白，对雌性具有显著的吸引效果。然而考虑到SPF信息素的稳定时间较短和扩散距离有限，研究提出琴蛙的SPF其实是对声音信号的补充，雄性通过叫声远距离吸引雌性，雌性通过化学信号进行近距离定位雄性或巢穴。

图5 仙琴蛙SPF分泌的相关途径及功能验证

以上成果以“Multi-omics analysis reveals the evolution, function, and regulatory mechanisms of SPF pheromones in Anurans”为题发表在Nature旗下一区Top期刊Communications Biology上。中国科学院成都生物研究所郑普阳博士为论文的第一作者，内江师范学院吕云云副教授及湖南农业大学龚宇舟讲师为论文的共同第一作者，谢锋研究员为论文的通讯作者，李家堂研究员、廖循研究员等攻关团队成员合作参与了该项研究工作。相关研究工作得到国家自然科学基金（32070428）资助。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s42003-024-07388-8