家蠶油蠶的研究進展及其開發(fā)利用

韋偉洋 趙巧玲

(江蘇科技大學， 江蘇鎮(zhèn)江 212018)

家蠶(Bombyxmori)作為重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟昆蟲，其遺傳突變體的種類十分豐富，可以作為一種模式生物用于鱗翅目生物的科學研究[1]。隨著家蠶全部基因組測序的完成[2]，對家蠶各方面的探究也進入了新的階段。在家蠶的后基因組時期[3-5]，一些特殊家蠶突變體的研究利用也備受研究人員的青睞。

油蠶由于較少的尿酸鹽(urate)積累，以它為模型研究家蠶的尿酸鹽代謝通路和信號傳導機制，對于人類痛風疾病的治療具有積極意義。因此人們對油蠶的研究也越來越深入，對其形成機制的認識也越來越清晰。為了更全面地了解油蠶，現(xiàn)將油蠶的有關研究進展整理如下，以供參考。

1 油蠶的種類

家蠶是一種排泄尿酸(uric acid)的昆蟲，正常家蠶幼蟲體表表皮內(nèi)含有豐富的白色小球型的尿酸鹽結(jié)晶成分，使其表皮不會呈現(xiàn)透明狀。而油蠶幼蟲，由于其表皮中含有的尿酸鹽成分非常少，使其全身表皮呈現(xiàn)出完全透明或半透明狀，猶如一張油紙一樣[6]。油蠶體內(nèi)的尿酸鹽含量一般為普通野生型家蠶的3%～80%，而且油蠶體內(nèi)的尿酸鹽含量越少，其表皮的透明度就會越高[7-8]。相對比較透明的，被稱之為高度油蠶；相對沒有那么透明的，被稱之為低度油蠶。部分油蠶可以透過表皮看到其體內(nèi)的背脈管、馬氏管等功能器官，而大部分油蠶在2齡起蠶的時候就可以辨識，4齡到5齡期油蠶性狀會變得更加明顯[7-8]。

據(jù)報道，迄今已發(fā)現(xiàn)40多個基因能引起油蠶突變，通過經(jīng)典遺傳分析已有20多個基因定位于不同連鎖群上，有的位點有多個等位基因，例如青熟油蠶oa有第2青熟油蠶oa2和斑青熟油蠶oav等位基因，均位于14-42.2座位上。目前，油蠶突變體中只有顯性短節(jié)油蠶(Obs，18-6.2)和顯性筑紫油蠶(Odc，16-29.7)是由顯性突變基因?qū)е碌?，其余都是由隱性突變基因所調(diào)控[9]。主要油蠶種類及其基因如表1所示。

2 油蠶形成的原因

研究顯示，家蠶體內(nèi)的尿酸是由嘌呤代謝而來的，其代謝途徑如下：首先，腺嘌呤在腺嘌呤脫氨酶的作用下脫氨產(chǎn)生次黃嘌呤(hypoxanthine)，次黃嘌呤再在黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase)的作用下，發(fā)生氧化反應生成黃嘌呤(xanthine)；而鳥嘌呤在鳥嘌呤脫氨酶的作用下直接生成黃嘌呤。然后，黃嘌呤在黃嘌呤脫氫酶(XDH)作用下氧化成尿酸(圖1)。尿酸是在家蠶脂肪體等器官中生成的，一部分隨代謝廢物如糞便、尿液排出體外，另一部分形成尿酸鹽通過血液運輸?shù)秸嫫ぜ毎?，以尿酸鹽顆粒狀蓄積在真皮細胞中，使家蠶表皮呈白色不透明狀。不同于除人類、靈長類外的其他哺乳動物，尿酸還會在尿酸氧化酶(urate oxidase)作用下產(chǎn)生尿囊素(allantoin)和二氧化碳(CO2)，尿囊素在尿囊素酶(allantoinase)作用下水解成尿囊酸(allantoin acid)，尿囊酸在尿囊酸酶作用下進一步產(chǎn)生尿素和乙醛酸(glyoxylic acid)，而且尿素在不同生物個體中代謝的中間產(chǎn)物也不一樣[13-14]。

而在發(fā)生突變的油蠶個體表皮中的尿酸鹽粒子較少，所以導致家蠶表皮呈現(xiàn)出某種程度的透明狀[15]。認為其原因是在尿酸生成、運輸、蓄積過程發(fā)生異常。og和oq突變體是由于尿酸合成不足導致的；ow、os和ok突變體是由于尿酸不能正常轉(zhuǎn)運引起的；而od和oa突變體則是由于尿酸鹽不能在表皮細胞中積累造成的。有研究發(fā)現(xiàn)，在給正常家蠶食用的桑葉中添加蜜胺[C3N3(NH2)]能夠得到與油蠶非常相似的表型，認為可能是因為蜜胺切斷了家蠶表皮中尿酸與蛋白之間的結(jié)合，尿酸被排泄出體外，無法在家蠶表皮中積累，導致了家蠶表皮呈透明狀[16-17]。

表1油蠶的主要種類及其基因

油蠶名稱基因符號染色體突變位點油蠶名稱基因符號染色體突變位點伴性油蠶os第1染色體1-0.0青熟油蠶oa第14染色體14-42.2d油蠶od第1染色體1-49.6第15號油蠶oft第15染色體15-42.7oal斑油蠶oal第2染色體2-29.7顯性筑紫油蠶Odc第16染色體16-29.7金雞龍油蠶ok第5染色體5-4.7姬日油蠶ohi第16染色體16-32.8jc油蠶okc第5染色體5-?蠟油蠶ow第17染色體17-36.4t-斑油蠶otm第5染色體5-15.2顯性短節(jié)油蠶Obs第18染色體18-6.2野蠶油ows第5染色體5-22.1霜降油蠶oh第20染色體20-0.0中國油蠶oc第5染色體5-40.8Var斑油蠶ov第20染色體20-15.2B8斑油蠶obt第7染色體7-21.0f油蠶of第21染色體21-?日本油蠶oj第9染色體9-0.0r油蠶or第22染色體22-8.9Gialloascoli油蠶og第9染色體9-23.6p油蠶op第23染色體23-?q油蠶oq第12染色體12-26.3豐油oy第25染色體25-7.6歐15號油蠶odk第14染色體14-32.5

表中數(shù)據(jù)來源于參考文獻[10-12]。

圖1 尿酸生成途徑

3 油蠶形成的分子機制

目前，對于油蠶形成的分子機制方面的研究獲得了許多的成果。相對而言，XDH在家蠶尿酸代謝路徑上探究的較為詳細，XDH是一個含鉬的同型二聚體酶，每一個單體含有1個鉬輔因子(MoCo)、1個黃素腺嘌呤二核苷酸(FAD)和1對鐵硫蛋白(2Fe/2S)中心，在家蠶幼蟲期的脂肪體、馬氏管、中腸等器官中都有一定的活性，在家蠶的這些器官和組織中，黃嘌呤可以被XDH氧化產(chǎn)生尿酸，當中有一些被運輸至家蠶皮膚之中，并以尿酸鹽晶體粒子的形式累積了起來，所以導致家蠶幼蟲的皮膚不會表現(xiàn)出透明狀。正常家蠶幼蟲脂肪體中XDH有XDHα和XDHβ 2個亞型。家蠶中有2個XDH基因，即BmXDH1和BmXDH2，在基因組上同方向排列，相距1.6 kb。

實驗表明，Gialloascoli油蠶和q油蠶，這2個油蠶品種發(fā)生突變的原因是由于缺少了XDH的活性，導致它們無法合成尿酸而形成透明的幼蟲皮膚[18-19]。控制oq突變體的基因目前已被確定是1個XDH基因，并且已經(jīng)被克隆出來，研究者們將其稱為BmXDH1[20]，在MoCo結(jié)合區(qū)域缺失8 bp，導致基因轉(zhuǎn)錄提前終止。oq突變體中缺失XDHα活性，但有XDHβ活性。BmXDH1是編碼XDHα的基因。og突變體有ogk和ogt2個等位基因，它們的蛹期死亡率高，og突變體的雌體及ogk和ogt突變型的雌雄體都是不育的[18-19]。雖然og突變體的XDH的活性欠缺，但引起og突變體的關鍵基因并非BmXDH，它與鉬輔因子的生成有關，是鉬輔硫化酶(MoCoS)的編碼基因。ogk在第4～5外顯子缺失了1 kb，而ogt在第4外顯子插入了551 bp，在插入序列中出現(xiàn)了終止密碼，也出現(xiàn)有缺失第4外顯子的一部分mRNA的情況。

在2009年，東京大學的研究者ITO等[21]首次向人們闡述了ow油蠶形成的分子機制，成功地在野生型家蠶中克隆了ow基因的完整DNA序列，總長3 105 bp，編碼了920個氨基酸的蛋白質(zhì)，通過BLAST的對比分析表明，ow基因編碼的蛋白質(zhì)和Varp蛋白有著非常高的同源性，因此被稱為BmVarp，Varp蛋白有著調(diào)節(jié)細胞內(nèi)各種物質(zhì)運轉(zhuǎn)的作用，所以預測BmVarp在家蠶表皮中對尿酸鹽的運轉(zhuǎn)有著十分關鍵的作用。ow突變體中出現(xiàn)了一段25 bp的插入序列，引起了自身的編碼框產(chǎn)生了位移，導致過早地出現(xiàn)了1個終止密碼子，并且使BmVarp蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，因此猜測這個基因突變對其轉(zhuǎn)運尿酸的能力產(chǎn)生了一定程度上限制，導致了尿酸鹽無法高效地在家蠶表皮中累積，所以才會讓家蠶的表皮表現(xiàn)出某種程度的透明狀。

位于第5連鎖群發(fā)生突變形成的ok突變體，是由于1個名為Bm-ok基因的結(jié)構(gòu)和功能出現(xiàn)缺陷，導致突變體中的蛋白質(zhì)無法正常翻譯，研究發(fā)現(xiàn)，在2個ok突變體品系中，Bm-ok基因的mRNAs分別出現(xiàn)了49 bp堿基的缺失和233 bp堿基的重復，通過蛋白數(shù)據(jù)庫的比對結(jié)果顯示，Bm-ok蛋白與果蠅中的“half-type ABC轉(zhuǎn)運蛋白”以及“ABC-g”家族同源[22]，認為它與尿酸的運輸有關。

位于第14連鎖群發(fā)生突變形成的oa突變體，是因為BmHPS5發(fā)生突變導致的。研究表明，BmHPS5是溶酶體相關細胞器復合物-2的生物起源的HPS5亞基的同源物，其基因有5個外顯子，oa突變體的3個等位基因oa、oa2、oav分別是由于第4號外顯子中4 bp(CAGA)的缺失、第4號外顯子中1 bp(T)堿基的缺失以及第5號外顯子中堿基的突變(GGA→TGA)引起的[23]。

4 油蠶的利用與產(chǎn)品研發(fā)

1995年，韓國的研究者RYU等人提出了選用5齡第3天家蠶的幼蟲，對之實施冷藏和干燥處理，然后將其制成全蠶粉用來醫(yī)治糖尿病，試驗發(fā)現(xiàn)，患者在食用第4周后能夠降低20%的血糖，全蠶粉用來降低血糖的功能機制的探究和利用有了突破性進展[24]。目前，世界各地多個國家和地區(qū)正在把全蠶粉當作Ⅱ型糖尿病患者的養(yǎng)生良藥。在我國，桂仲爭等[25]也展示了全蠶粉作為食物的營養(yǎng)價值以及它降血糖的醫(yī)療效果，用5齡成熟的家蠶生產(chǎn)的全蠶粉不僅能夠降低血糖和血脂，并且還有助于提高免疫力，調(diào)節(jié)人體代謝平衡[26]。

然而用一般的普通家蠶制成的全蠶粉都有一些明顯的不足，如普通的家蠶制成的全蠶粉尿酸鹽結(jié)晶成分的含量過高，而這些結(jié)晶能導致人類身體產(chǎn)生腎結(jié)石、尿道結(jié)石以及出現(xiàn)痛風等病癥，而且尿酸鹽還會導致一些人出現(xiàn)過敏反應。但是，以各種油蠶突變體為主要原材料，可以制成非常高效的能夠降低血糖并且尿酸鹽含量非常低的全蠶粉或蠶蛹粉[27]。

另外，家蠶有與哺乳動物相同的藥物代謝酶，體內(nèi)藥物吸收與哺乳動物類似，而且家蠶具有個體大小合適、方便手持注射，飼養(yǎng)成本較低，不易造成生物公害等明顯的優(yōu)勢[28]，可以利用家蠶建立生物模型來評價藥物的療效。家蠶與人同是以尿酸作為氮代謝廢物排泄的，將油蠶作為研究尿酸代謝的模型，有助于進行對人的高尿酸血癥和痛風的治療藥物的開發(fā)。

如何更好地對油蠶進行各個方面的功能價值研究與功能產(chǎn)品開發(fā)必將會是一個新的研究熱點，也會使得今后蠶桑產(chǎn)業(yè)研究的重點有所轉(zhuǎn)移，對整個蠶桑產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及如何高效地增加蠶桑產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值等都將起到重要作用。

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