1JH对昆虫变态发育调控的分子机制
1.1JH-Met-Kr-h1-Br信号通路
在完全变态昆虫果蝇和赤拟谷盗中,JH可通过受体Met(或Gce)上调Kr-hl基因的表达从而抑制20E诱导的蛹期特异分子Br的表达,进而发挥其阻止变态的作用。其中Kr-h1和Br分别是JH和20E信号通路中调控全变态昆虫变态发育的2个关键基因。在完全变态昆虫幼虫阶段Br的表达水平很低,而在末龄幼虫期随着H的消失以及少量20E的存在,Br的表达急剧上升从而引起蛹的形成,而此时外源添加JH类似物,可抑制20E诱导的Br的表达,从而阻止幼虫化蛹。Br作为启动变态的关键转录因子,可促进细胞凋亡因子基因rpr ,hid，dronc和drice等的表达从而诱导幼虫相关组织的程序化死亡以及成虫盘的分化。研究表明,Br突变果蝇在预蛹期和蛹期死亡,成虫盘的分化以及幼虫唾液腺及中肠的程序化细胞死亡均受到干扰。同样,在家蚕和赤拟谷盗中RNA干扰Br的表达,也导致幼虫不能正常化蛹,形成同时具有幼虫和成虫特征的个体。在果蝇幼虫和成虫表皮中过表达Br的同型异构体Z1 ( Br-Z1)会导致蛹特征的出现。基于Br在昆虫生长发育中的特性及作用,Br被称为是“蛹期特异分子”。
在不完全变态昆虫中,JH也是通过Met和Kr-hl调控昆虫的变态。始红蜷以及德国小蠊中的研究发现Kr-hl也是在若虫期持续表达直到末龄若虫期降低。该表达模式保证了成虫的正常发育。若在末龄若虫期施加JH则可诱导Kr-hl的再次表达引起超龄若虫的产生。在末龄前一龄若虫期,RNAi干扰Met或Kr-hl的表达,可导致成虫体色,翅以及性器官的提前出现,引起早熟成虫的形成。但是与完全变态昆虫中Br仅表达于变态期不同,不完全变态昆虫的若虫各个阶段均有Br的表达,仅在末龄若虫期,随着JH的消失,Br的转录水平也随之降低,该表达模式类似于Kr-hl。功能研究发现,Br并不参与不完全变态昆虫的变态发育,而更多的是与翅原基中细胞的增殖有关。RNAi降低Br的表达并不影响若虫至成虫的变态,但可引起成虫翅变小以及前翅脉出现缺陷等表型。
综上所述,无论是在完全变态昆虫还是不完全变态昆虫中 ,Kr-h1是JH调控昆虫变态发育的关键因子。但是值得注意的是,始红蜡以及家蚕中的研究发现,若在早期1-2龄若虫或幼虫阶段RNAi 降低Kr-h1的表达并不能引起昆虫提前变态。家蚕中超表达Kr-h1虽然可以导致家蚕不完全化蛹,但并未引起额外幼虫龄期的产生,且Br的表达也未受抑制,说明Kr-hl本身并不足以抑制蛹的形成。
1.2JH-Met-Kr-h1-E93信号通路
在不完全变态昆虫由若虫羽化成成虫以及完全变态昆虫由蛹羽化成成虫的过程中, E93被鉴定为是其中另一重要的调控分子。研究证明E93可作为成虫特异分子“adult specifier”促进不完全变态昆虫(德国小蠊)以及完全变态昆虫(果蝇及赤拟谷盗）羽化成成虫。E93是具有Pip-squeak (Psq)结构域的转录因子,最早报道参与调控果蝇预蛹期幼虫组织器官的程序化细胞死亡。通过搜寻控制德国小蠊羽化前前胸腺的退化以及在蜕变器官(翅及表皮)中高表达的基因时,发现E93在德国小蠊末龄若虫的所有蜕变器官中表达量很高,而在非蜕变组织如脂肪体中没有太大变化。在德国小蠊末龄前一龄或末龄若虫期,对E93进行RNAi干扰可阻止成虫羽化,而形成超龄若虫。如前所述,末龄幼虫(若虫)中JH滴度的缺失以及Kr-h1表达下降是昆虫变态发育的必要条件。检测E93RNAi末龄若虫期JH滴度及Kr-h1 mRNA水平,发现JH的滴度正常下降而Kr-h1 转录水平显著高于正常若虫,表明在末龄若虫阶段E93通过负调控Kr-h1导致其表达量降低,从而使幼虫正常羽化成成虫。这表明E93作为“成虫特异分子”在昆虫中是高度保守的。
综上所述,JH调控昆虫变态发育的分子机制可概括为:
对于不完全变态昆虫,在若虫前期,由于JH及其效应分子Kr-h1的存在抑制了成虫特异分子E93的活性,使得昆虫维持若虫状态;在末龄若虫阶段,高表达的E93以及低滴度的JH导致Kr-h1表达下降,从而保证了若虫正常羽化成成虫。
对于完全变态昆虫,其幼虫阶段类似于不完全变态昆虫的若虫前期,由于JH和Kr-h1的存在抑制了蛹期特异分子Br的表达,使得幼虫蜕皮之后仍然维持幼虫状态。而在末龄幼虫阶段随着JH滴度缺失和Kr-h1表达下降导致Br表达增强从而诱导昆虫化蛹。而完全变态昆虫的蛹期类似于不完全变态昆虫末龄若虫期,此时高表达的E93抑制Br和Kr-h1 ,促使成虫正常羽化。
2 保幼激素和蜕皮激素协同调控变态发育机制
昆虫的变态发育主要由蜕皮激素和保幼激素协同调控。保幼激素通过其受体met-ncoa或gce-ncoa二聚体及其早期反应基因kr-h1阻止变态或使幼虫维持原状态;蜕皮激素通过其受体ecr/usp诱导br-c等早期反应基因表达。越来越多的研究发现,一些转录因子可能参与JH与20E的互作,如Met, USP, Tai/SRC/FISC和E75A等。研究发现,作为JH的受体，Met可与20E受体复合物EcR/USP结合,并且参与20E信号传递。在家蚕游走早期RNA干扰Met 的表达可扰乱20E诱导的转录级联反应、阻止幼虫组织的瓦解和成虫组织的形成、导致幼虫至蛹变态过程中死亡。并且Met 的表达受20E诱导，在20E滴度较高的蜕皮及化蛹期,Met的表达量达到高峰。此外,Met与EcR/USP共同结合于20E反应元件上,暗示Met可能通过招募一些共激活因子后与EcR/USP结合而促进20E诱导的基因转录。
Tai/SRC/FISC作为共激活因子与Met结合形成的异源二聚体是JH的功能受体,同时Tai/SRC/FISC也可与20E的受体复合物EcR/USP结合构成20E功能受体复合物。赤拟谷盗以及埃及伊蚊Aedes aegypti中的研究发现,RNAi降低Tai/SRC/FISC的表达后既可干扰JH诱导的Kr-h1转录,也显著降低20E信号通路中E75和Br 等的转录水平。由此可见，Tai/SRC/FISC在JH和20E信号通路中均具有重要的作用。推测在JH和20E单独存在时, Tai/SRC/FISC分别与Met或EcR/USP结合,从而诱导H或20E下游反应基因的表达。当JH和20E同时存在时, Tai/SRC/FISC既可与Met结合,也可与EcR/USP结合,从而在JH和20E功能受体形成过程中产生竞争作用,导致JH和20E下游反应基因的表达均下降。抑或JH和20E单独存在时,二者的功能受体所招募的共激活因子与JH和20E同时存在时有所不同,从而产生了不同的分子效应。
此外,JH还可以通过直接调控20E信号通路中基因的表达,实现与20E的互作。如在双翅目和鳞翅目昆虫中发现JH可促进20E诱导的E75A的转录表达。JH对E75A的转录调控被证明是通过FTZ-F1与Met或Gce结合后,协助JH功能受体结合于E75A启动子区域实现的。果蝇S2细胞中的研究发现,在JH存在的情况下,超表达E75A可抑制2OE诱导的其他早期基因的表达,包括蛹期特异分子Br,推测E75A在JH发挥其“维持现状”的功能中起着重要的作用。
3 蜜蜂体内保幼激素及其作用
保幼激素(JH)是由蜜蜂幼虫和成年蜜蜂食道两侧的两个球形咽侧体合成。目前，在蜜蜂体内只发现一种保幼激素JHⅢ，但是蜜蜂体内的JHⅢ具体经由哪一途径实现终端合成尚不清楚,但蜜蜂体内的JH滴度随着蜜蜂发育阶段、环境条件等因素的影响不断变化。
JH在蜜蜂幼虫时期维持蜜蜂幼虫状态，在变态期与蜕皮激素协同调控蜜蜂的变态发育。随着成年蜜蜂日龄增大,保幼激素在蜜蜂体内的含量逐渐增高,采集蜂体内保幼激素明显高于哺育蜂,且20~40日龄的工蜂体内保幼激素达到最高值，由此可见JH对于蜜蜂的行为发育有很大影响。当用JH或JH类似物处理5日龄西方蜜蜂工蜂体表，发现幼虫个体分化出蜂王特征。有研究显示,JH在1日龄到5日龄期间的蜂王和工蜂幼虫体内的滴度变化趋势有明显区别,蜂王的JH滴度较工蜂变化更明显且两次上升期均显著高于工蜂。在第一个上升期JH滴度出现一个阈值，幼虫JH滴度在阈值以上，将发育成蜂王。有研究者用添加一定浓度JH类似物的饲料饲喂蜂王幼虫，发现能显著延长其未封盖期,提高蜂王初生重并能促进卵巢发育。由此可见，JH调控蜜蜂的生长发育、变态、行为发育、级型分化以及生殖等多方面生命过程。
