昆蟲脂動激素及其受體調(diào)控能量動態(tài)平衡的研究概述＊

解鴻青，李聰慧，崔詩遙，但彩云，屠振力，時連根

（浙江大學動物科學學院，浙江 杭州 310058）

昆蟲為開放式的循環(huán)系統(tǒng)，血液在體內(nèi)循環(huán)時只有一段通過背血管，其余均在體腔內(nèi)開放流動，而所有組織器官都浸浴于血液中，組織器官和細胞可以直接與血液進行物質(zhì)交換。昆蟲的主要能量（蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和碳水化合物）由從飼料中攝取的各種營養(yǎng)物質(zhì)在脂肪體中合成和儲存，當昆蟲遷移飛翔、繁殖、生長發(fā)育等的時候，又從脂肪體源源不斷地釋放出能量，并通過循環(huán)的血液帶給翅膀、卵巢等相應的組織器官，昆蟲的這種能量動態(tài)平衡是由脂動激素（Adipokinetic Hormone，AKH）及其受體（脂動激素受體，Adipokinetic Hormone Receptor，AKHR）調(diào)控的。為此，AKH/AKHR調(diào)控昆蟲能量動態(tài)平衡的作用機制研究受到國內(nèi)外學者的廣泛關注，其研究取得了積極進展，本文對此研究概況進行了闡述。

1 脂動激素

1.1 脂動激素的發(fā)現(xiàn)

脂動激素（AKH）是一類主要由昆蟲心側體合成、儲存并釋放到血液中的神經(jīng)肽，此外發(fā)現(xiàn)草地貪夜蛾頭部、飛行肌、脂肪體、卵巢等部位中也有脂動激素表達［1］。Steele于1961年最早發(fā)現(xiàn)美洲大鐮心側體提取物能夠提高血液中碳水化合物的含量［2］，后來Mayer等和Beenakkers等又分別于1969年發(fā)現(xiàn)蝗蟲心側體提取物能夠明顯提高血液中的脂類水平［3，4］，說明昆蟲心側體中存在某些能夠調(diào)節(jié)碳水化合物和脂類代謝的激素。直至1976年由Stone等首次從蝗蟲中分離并鑒定到了第一個AKH，并闡明了它的氨基酸序列［5］。此后，從各種昆蟲中不斷分離并鑒定到AKH，至今已從絕大多數(shù)昆蟲目的70多種昆蟲中分離到了50多種AKH。從家蠶中已經(jīng)分離出3個AKH，第一個AKH（AKH1）由Ishibashi等于1992年分離與鑒定出來，但發(fā)現(xiàn)其與受體的結合活性較低，表明家蠶中可能還存在其它種類AKH［6］。此后，又由Roller等和Zhu等分別于2008年和2009年從家蠶中分離到2個AKH（AKH2和AKH3），AKH2活性與AKH1的相似，但AKH3活性較低［7，8］。

1.2 脂動激素的結構特征

AKH一般包含8～10個氨基酸，其結構特征為N末端是焦谷氨酸殘基，C末端常發(fā)生酰胺化，在第4位和第8位分別是苯丙氨酸（芳香族氨基酸）殘基和色氨酸（雜環(huán)族氨基酸）殘基，若為九肽或十肽，則第9位通常為甘氨酸［9］。在昆蟲長期的自然進化過程中，AKH保持著相對的穩(wěn)定狀態(tài)，序列保守性高，其序列在部分昆蟲間甚至完全一致，如煙草天蛾AKH與家蠶AKH1的氨基酸序列均為pQLTFTSSWGa［6，10］。家蠶AKH1為九肽，其序列為 pQLTFTSSWGa，家蠶AKH2和AKH3均為十肽，其序列分別為pQLTFTPGWGQa和 pQITFSRNWSGa［6～8］。

2 脂動激素受體

2.1 脂動激素受體的克隆

AKH的作用是通過脂動激素受體（AKHR）來介導的，但國內(nèi)外對AKHR的研究一直比較滯后。最初的研究發(fā)現(xiàn)，當昆蟲脂肪體與適當濃度的AKH一起孵育時，就會導致肌醇三磷酸（IP3）增加和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca++庫里Ca++離子釋放至細胞質(zhì)中，并且呈現(xiàn)出顯著的濃度和時間依賴關系［11］。進一步研究發(fā)現(xiàn)，用磷酸脂酶C（PLC）的拮抗劑U-73122，就能部分或完全抑制AKH對PLC的激活活性［12］。直到2002年，才由丹麥哥本哈根大學的Grimmelikhuijzen研究組首先從家蠶和果蠅中克隆了AKHR，并查明AKHR無論結構上還是進化上，均與脊椎動物的促性腺激素釋放激素非常接近［13］。后來又分別從美洲大蠊（Periplaneta americana）［28］和按蚊（Anopheles gambiae）中克隆了AKHR［14］。

Huang等采用RT-PCR方法從家蠶蛹脂肪體中克隆出家蠶AKHR基因，檢測發(fā)現(xiàn)家蠶AKHR定位在細胞膜上，在脂肪體中高水平表達，在表皮、肌肉、馬氏管、睪丸和卵巢組織中也有較低水平表達［15］。Shi等采用RT-PCR法又分別從家蠶幼蟲睪丸和腦中克隆得到了家蠶AKHR2a和家蠶AKHR2b二個新家蠶AKHR基因，AKHR2a和AKHR2b在睪丸中均有高水平表達，AKHR2a還在腦、表皮、絲腺、卵巢、腸和脂肪體中有較低水平表達，AKHR2b還在腦和卵巢中有較低水平表達，但在脂肪體中檢測不到AKHR2b的表達［16］。

2.2 脂動激素受體的結構

AKHR屬于有7個跨膜a-螺旋結構組成的G蛋白偶聯(lián)受體（G Protein Coupled Receptor，GPCR）大家屬，是與G蛋白偶聯(lián)并通過G蛋白傳遞其信號的。測序分析發(fā)現(xiàn)，家蠶AKHR1包含有405個氨基酸殘基，AKHR2a包含有418個氨基酸殘基，AKHR2b包含有416個氨基酸殘基，AKHR2a和AKHR2b與AKHR1的相同氨基酸殘基分別達到30.2和30.8%。AKHR的二級結構由胞外區(qū)、跨膜區(qū)和胞內(nèi)三部分組成，胞外區(qū)包含N端和3段胞外環(huán)區(qū)，主要負責識別信號分子；跨膜區(qū)包含7段跨膜α螺旋，形成整個蛋白的骨架并負責結合配體、傳遞信號；胞內(nèi)區(qū)包含3段胞內(nèi)環(huán)區(qū)、胞內(nèi)第8根螺旋和羧基端（C端），與G蛋白、GRKs、arrestin等下游效應分子結合以傳遞信號。

2.3 脂動激素受體的信號轉(zhuǎn)導

AKHR被AKH激活后，通過與G蛋白偶聯(lián)，調(diào)節(jié)相關酶活性，在細胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使cAMP積累、Ca2+動員和ERK1/2磷酸化，從而將AKH信號跨膜從胞外傳遞到胞內(nèi)，改變細胞的生理活性。給蝗蟲注射AKH，引起蝗蟲脂肪體中cAMP水平明顯增高［17］。用不同濃度家蠶AKH1刺激穩(wěn)定表達家蠶AKHR-GFP的HEK-293細胞株，能誘導細胞內(nèi)cAMP含量積累并呈明顯的AKH1濃度依賴性，霍亂毒素（CTX）預處理能提高cAMP積累，但百日咳毒素（PTX）預處理對cAMP積沒有影響，顯示家蠶AKHR中通過與Gs蛋白偶聯(lián)來激發(fā)細胞cAMP水平提高的。

放射性Ca2+實驗證明，AKH能夠提高脂肪體對培養(yǎng)基中Ca2+的吸收，也提高脂肪體內(nèi)Ca2+的外流［11］。在家蠶AKH1刺激下，家蠶AKHR通過與Gq蛋白偶聯(lián)，激發(fā)細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣庫的Ca2+釋放到胞質(zhì)，其Ca2+流增加隨刺激的家蠶AKH1濃度增大而增大，呈濃度依賴型。

胞外信號調(diào)節(jié)激酶（MAPK）途徑可調(diào)節(jié)細胞從增殖分化到凋亡各種不同的進程，GPCRs通過MAPK途徑介導細胞生長和分化的過程［18］。ERK1/2是MAPK的重要成員，是胞外信號經(jīng)受體轉(zhuǎn)到胞內(nèi)最終實現(xiàn)其生理功能的重要調(diào)節(jié)因子。家蠶AKHR被AKH1激活后能刺激細胞的ERK1/2磷酸化瞬時增加，其ERK1/2磷酸化被蛋白激酶A（PKA）抑制劑H89、蛋白激酶C（PKC）抑制劑Go6983、胞外Ca2+螯合劑EGTA、胞內(nèi)Ca2+螯合劑BAPTA-AM、PTX所顯著抑制，但PLC抑制劑U73122、PLD抑制劑FIPI、MMP 抑制劑 GM6001、EGFR 抑制劑 AG1478、PI3K抑制劑Wortmanmin、Src抑制劑PP2和β-Arrestin 2基因表達敲低均對ERK1/2磷酸化沒有影響，顯示家蠶AKHR經(jīng)cAMP/PKA途徑激活ERK1/2系PKA/PKC/Ca2+依賴型和PTX敏感型，β-Arrestins及其它調(diào)節(jié)蛋白未參與其激活過程。

3 脂動激素/脂動激素受體的調(diào)控作用

脂動激素為昆蟲體內(nèi)的重要調(diào)控因子，其信號由脂動激素受體轉(zhuǎn)導，脂動激素/脂動激素受體系統(tǒng)除參與調(diào)控脂類代謝與糖類平衡外，還可通過抑制脂肪體中蛋白質(zhì)合成而影響生殖行為，也參與逆境生理與免疫反應等生命活動。

3.1 代謝調(diào)控

血糖平衡和脂類代謝對于調(diào)控昆蟲正常的生命活動非常重要，蝗蟲和蛾類在飛行過程中主要利用脂類物質(zhì)向飛行肌供給能量，蜚蠊和蠅類主要利用糖類物質(zhì)供給能量［19］。當脂動激素與脂動激素受體結合后，可激活信號轉(zhuǎn)導下游的糖類與脂類代謝調(diào)控途徑中的關鍵酶——甘油三酯酶和糖原磷酸化酶。甘油三酯酶將脂肪體內(nèi)的三酰甘油降解為二酰甘油，二酰甘油進入血淋巴后，在載脂蛋白的作用下被運輸至飛行肌，并經(jīng)酯酶水解為甘油和脂肪酸，其中甘油經(jīng)底物活化后進入糖酵解途徑供能，脂肪酸則與脂肪酸結合蛋白結合后運輸至線粒體進行β-氧化釋放能量。脂肪體內(nèi)的糖原在糖原磷酸化酶的作用下生成海藻糖，經(jīng)血淋巴運輸進入飛行肌為飛行活動釋放能量［20］。東亞飛蝗的心側體提取物能顯著提高其血淋巴中的脂類水平［21］，被切除心側體的果蠅的脂類和糖類物質(zhì)代謝均出現(xiàn)異常，并在行為上表現(xiàn)為活動會明顯減少與耐饑餓程度增加，而給果蠅局部注射AKH后，將導致其活動能力明顯增加［22，23］。

3.2 生殖調(diào)控

昆蟲需要在脂肪體內(nèi)積累大量的脂類、糖類、蛋白等能源物質(zhì)為生殖產(chǎn)卵做準備。AKH/AKHR抑制這些能源物質(zhì)在脂肪體內(nèi)的儲存，還抑制卵黃原蛋白的合成，從而對昆蟲生殖產(chǎn)卵起到調(diào)控作用。用AKH處理雌蟋蟀，可導致卵粒小且產(chǎn)卵數(shù)量減少［24］。但目前還沒有足夠的證據(jù)將AKH/AKHR單純看作是昆蟲生殖的抑制劑，因為有關AKH/AKHR調(diào)控昆蟲生殖的機制還不清楚。

3.3 逆境生理調(diào)控

AKH/AKHR在昆蟲逆境生理中具有保護作用，敲除果蠅AKH基因，使果蠅更易于遭受氧化性應激反應的損害［25］。如提高蝗蟲AKH濃度，則可以通過提高血淋巴中的谷胱甘肽水平及減少蛋白羰基化作用，來增強蝗蟲的抗氧化劑的保護，從而減少相應氧化性應激反應的損傷［26］。

3.4 免疫力調(diào)控

AKH/AKHR在調(diào)控昆蟲免疫力方面也起著重要的作用。給蝗蟲體內(nèi)同時注射AKH和脂多糖，能激活酚氧化酶系統(tǒng)，并提高免疫結構的形成，產(chǎn)生典型的細胞和體液免疫應答反應［27］。然而，給蟋蟀注射AKH，卻使血淋巴中的載脂蛋白Ⅲ水平降低，導致免疫反應的抑制［28］。為此，AKH可能是一個雙向調(diào)控因子，既有提高免疫力的作用，也有抑制免疫力的作用，具體產(chǎn)生怎樣的作用由昆蟲種類及其免疫狀態(tài)來決定。

3.5 化學農(nóng)藥毒力調(diào)控

氯菊酯可顯著提高始紅蝽血淋巴內(nèi)的脂動激素滴度，馬拉硫磷處理后的始紅蝽也出現(xiàn)了類似的結果，表明脂動激素可能參與了化學農(nóng)藥誘發(fā)的相關應答機制［29］。當馬拉硫磷與脂動激素混合后處理始紅蝽，可顯著增加其死亡率，并發(fā)現(xiàn)呼吸代謝產(chǎn)物CO2總量明顯升高［30］，這也在氯菊酯與脂動激素的混合處理試驗中得到了證實。殺蟲劑毒力增強的原因在于脂動激素加速了昆蟲的代謝活動，同時也利于殺蟲劑滲透擴散到昆蟲的各個組織。由此可見，脂動激素不僅參與調(diào)控昆蟲的能源代謝活動、生理生化活動，而且在害蟲防治中也具有潛在的應用價值。