昆蟲滯育表觀遺傳調(diào)控的研究進(jìn)展

安顥敏, 劉 文, 王小平

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 昆蟲資源利用與害蟲可持續(xù)治理湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070)

周期性的季節(jié)變化驅(qū)動生物在長期進(jìn)化過程中形成休眠(dormancy)等現(xiàn)象(Guppy and Withers, 1999; Lennon and Jones, 2011)。生物在休眠期一般具有更強(qiáng)的環(huán)境耐受性，能夠在惡劣環(huán)境中延續(xù)種群。休眠表型的形成往往需要環(huán)境信號的誘導(dǎo)(Boonetal., 2001; Lennon and Jones, 2011)。 表觀遺傳(epigenetics)可能參與生物休眠調(diào)節(jié)(Shuetal., 2016; Rossarietal., 2020)。在植物種子休眠誘導(dǎo)期，多種表觀遺傳調(diào)控因子顯著上調(diào)，與內(nèi)源植物激素耦聯(lián)調(diào)控種子休眠(Kallioo and Piiroinen, 1959; Sondheimeretal., 1968; Liuetal., 2011)。 小鼠Musmusculus和秀麗隱桿線蟲Caenorhabditiselegans染色質(zhì)修飾水平能夠響應(yīng)休眠誘導(dǎo)信號，進(jìn)而調(diào)控其休眠或滯育(Demoinetetal., 2017; Husseinetal., 2020)。

昆蟲滯育是休眠的一種類型，是受遺傳調(diào)控的一種特定的發(fā)育，一旦進(jìn)入滯育需要完成滯育發(fā)育才能受溫度、濕度等環(huán)境條件影響而解除滯育。昆蟲滯育可分為專性滯育(obligatory diapause)和兼性滯育(facultative diapause)，所有專性滯育的發(fā)生不取決于環(huán)境條件，而兼性滯育的發(fā)生需要溫度、光周期等環(huán)境信號的誘導(dǎo)(Danks, 1987)。依據(jù)滯育發(fā)生的時(shí)期，昆蟲滯育又可分為卵滯育或胚胎滯育(egg/embryonic diapause)、幼蟲滯育(larval diapause)、蛹滯育(pupal diapause)、成蟲滯育或生殖滯育(adult/reproductive diapause)(Danks, 1987)。滯育過程包括滯育前期(pre-diapause)、滯育期(diapause)和滯育后期(post-diapause)，其中滯育前期包括滯育誘導(dǎo)和準(zhǔn)備，滯育期包括滯育啟動、維持和解除，滯育后期包括滯育后靜止和滯育后發(fā)育(Denlinger, 2002; Ko?tál, 2006)。昆蟲在滯育誘導(dǎo)期感受環(huán)境變化，其體內(nèi)的胰島素(insulin)、保幼激素(juvenile hormone, JH)和蛻皮激素(ecdysterone)等響應(yīng)滯育誘導(dǎo)期的環(huán)境信號，調(diào)控滯育準(zhǔn)備；昆蟲在滯育準(zhǔn)備期積累營養(yǎng)物質(zhì)供完成滯育過程、渡過不良環(huán)境(Hahn and Denlinger, 2011)。滯育誘導(dǎo)和準(zhǔn)備這兩個(gè)時(shí)期深刻影響昆蟲滯育的進(jìn)入與終止以及滯育后的發(fā)育和存活，是昆蟲滯育機(jī)制研究的關(guān)鍵(Ko?tál, 2006; Hahn and Denlinger, 2011)。

昆蟲的發(fā)育與滯育由分子水平的變化決定(Denlinger, 2002)。環(huán)境信號是誘導(dǎo)昆蟲非遺傳多型(polyphenism)現(xiàn)象的關(guān)鍵(Hartfelder and Emlen, 2005)，這種環(huán)境信號誘導(dǎo)的生物發(fā)育可塑性與表觀遺傳息息相關(guān)(Glastadetal., 2019)。表觀遺傳是不依賴DNA序列的改變所產(chǎn)生的可遺傳的變異(Bonasioetal., 2010)，受到多種環(huán)境信號的調(diào)控(Rando, 2012)。表觀遺傳機(jī)制包括核小體定位(nucleosome positioning)、染色質(zhì)重塑(chromatin remodeling)、組蛋白修飾(histone modification)、DNA甲基化(DNA methylation)、RNA可變剪接(alternative RNA splicing)、非編碼RNA(noncoding RNA)、RNA修飾(RNA modification)和假基因(pseudogene)等(蔡祿, 2012; 楊瑩等, 2018; Reynolds, 2019; Yaoetal., 2019)。在昆蟲中，表觀遺傳可能參與其變態(tài)發(fā)育、壽命、生殖和性別決定(Suhetal., 2015; Cardoso-Júnioretal., 2018; Zhangetal., 2018; Kirfeletal., 2020; Pengetal., 2020)，也可能調(diào)控昆蟲滯育。目前報(bào)道了昆蟲DNA甲基化可以響應(yīng)光周期信號(Pegoraroetal., 2016; Delaneyetal., 2017)，組蛋白乙酰化可以耦聯(lián)昆蟲內(nèi)分泌信號(Georgeetal., 2019; George and Palli, 2020; Lyuetal., 2020)，可能是昆蟲滯育調(diào)控的重要環(huán)節(jié)。組蛋白修飾、DNA甲基化、RNA甲基化和非編碼RNA等表觀遺傳過程參與昆蟲滯育調(diào)控已見諸報(bào)道。本文從不同類型昆蟲滯育表觀遺傳調(diào)控的角度綜述了近年來這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展，以期為深入開展昆蟲滯育調(diào)控機(jī)制研究提供幫助。

1 卵滯育或胚胎滯育調(diào)控

昆蟲卵滯育可以發(fā)生在胚胎發(fā)育的任何階段，在直翅目、鱗翅目和雙翅目昆蟲中較為常見。卵滯育分為母體分泌的滯育激素(diapause hormone, DH)調(diào)控和胚胎自身合成激素調(diào)控兩類(Denlingeretal., 2005)。家蠶Bombyxmori分泌的滯育激素是一種神經(jīng)肽，由母體腦—咽下神經(jīng)節(jié)在卵成熟期合成并釋放；DH作用卵巢后誘導(dǎo)形成滯育卵(Denlingeretal., 2005)。組蛋白乙?；?、DNA甲基化、RNA甲基化和miRNA對昆蟲卵滯育具有潛在的調(diào)控作用(圖1: A)。

圖1 表觀遺傳參與昆蟲卵滯育調(diào)控Fig. 1 Epigenetics involved in regulation of insect egg diapauseA: 昆蟲卵滯育涉及的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制：組蛋白乙?；?Reynolds and Hand, 2009)；DNA甲基化(Sasibhushan et al., 2013； Li et al., 2019)；RNA甲基化(Jiang et al., 2019)；miRNA(Fan et al., 2017)。不同線條表示不同類型的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，線條的高度表示同種修飾類型在不同滯育時(shí)期的變化過程而非不同表觀遺傳調(diào)控機(jī)制之間的水平差異(圖2～4同)。Epigenetic regulation mechanisms involved in insect egg diapause, including histone acetylation (Reynolds and Hand, 2009), DNA methylation (Sasibhushan et al., 2013; Li et al., 2019), RNA methylation (Jiang et al., 2019), and miRNA (Fan et al., 2017). Different lines indicate different types of epigenetic regulations, and the height of lines indicates change process of the same type of epigenetic regulation in different diapause periods but not the horizontal differences among different epigenetic regulations (the same for Figs. 2-4). B: 家蠶RNA甲基化能夠響應(yīng)DH水平，低水平的DH和鹽酸可以降低家蠶RNA甲基化水平從而解除滯育(Jiang et al., 2019)。RNA methylation in the silkworm can respond to DH level, and low levels of DH and HCl can reduce RNA methylation and relieve diapause of the silkworm (Jiang et al., 2019). C: 鹽酸可以解除家蠶卵滯育,引起家蠶滯育卵中miRNA差異表達(dá)(Fan et al., 2017)。HCl can relieve egg diapause and cause different expression levels of miRNAs in diapause eggs of the silkworm (Fan et al., 2017). D: 鹽酸可能通過抑制miR-2761-3p活性從而激活SDH功能最終解除家蠶滯育(Rubio et al., 2011; Fan et al., 2017)。HCl may activate the silkworm SDH by inhibiting miR-2761-3p activity, and finally relieve diapause (Rubio et al., 2011; Fan et al., 2017). DH: 滯育激素Diapause hormone; SDH: 山梨醇脫氫酶Sorbitol dehydrogenase.

組蛋白乙酰化促進(jìn)異染色質(zhì)向常染色質(zhì)變構(gòu)，高乙?；酵ǔＥc轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)(Drazicaetal., 2016)，但也有研究發(fā)現(xiàn)組蛋白乙?；降纳吣芤鸹蜣D(zhuǎn)錄的抑制。轉(zhuǎn)錄抑制子Reptin是組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶Tip60的活性亞基，其促進(jìn)組蛋白乙?；瞧鸬交蜣D(zhuǎn)錄抑制的作用(Qietal., 2006)。在南方地蟋Allonemobiussocius滯育前Reptin表達(dá)上調(diào)兩倍，進(jìn)入滯育后又被顯著下調(diào)(Reynolds and Hand, 2009)。Tip60介導(dǎo)的組蛋白乙酰化可能參與抑制滯育準(zhǔn)備相關(guān)基因的表達(dá)，這些基因(如脂質(zhì)降解酶基因等)的下調(diào)可能參與滯育準(zhǔn)備期的物質(zhì)積累，在滯育維持中這些基因的轉(zhuǎn)錄可能被重新激活。

DNA甲基化可能參與家蠶卵滯育調(diào)控。在家蠶滯育卵中DNA甲基轉(zhuǎn)移酶表達(dá)水平較高，推測其參與家蠶的卵滯育維持(Sasibhushanetal., 2013)。不過家蠶二化品系中發(fā)現(xiàn)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因BmDnmt1和BmDnmt2的表達(dá)可以被鹽酸誘導(dǎo)，而鹽酸可以解除家蠶卵滯育(Lietal., 2019)。Dnmt1和Dnmt2主要參與維持DNA甲基化(maintenance of DNA methylation)(Ooietal., 2007)，暗示高水平的DNA甲基化是家蠶卵滯育解除的關(guān)鍵。此外，無論在何種光周期條件下飼喂DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑5-氮雜胞嘧啶核苷(5-azacytidine)，都不能改變光周期對家蠶卵滯育的影響(Egietal., 2016)。DNA甲基化對家蠶卵滯育的調(diào)控作用需要進(jìn)一步明確。

RNA修飾參與昆蟲滯育調(diào)控的研究非常有限，目前僅在家蠶卵滯育調(diào)控中有所報(bào)道。選取的4種不同化性品系A(chǔ)K4(一化)、Qiufeng(二化)、NH(多化滯育)和Nistari(多化非滯育)中，RNA m6A甲基化相關(guān)的Mettl3,Mettl14,Wtap/fi(2)d,Ythdc1和Ythdf3基因在蛹和成蟲的卵巢、頭部和卵中表達(dá)模式各不相同，表現(xiàn)出一定的化性相關(guān)性。相較一化和多化品系，二化品系家蠶RNA m6A相關(guān)基因的表達(dá)更為多變，可能一化和多化品系具有更為穩(wěn)定的滯育特性，較少受到外界因素的影響。m6A相關(guān)基因在家蠶蛹和成蟲期表達(dá)模式的差異表明m6A可能參與了家蠶的滯育準(zhǔn)備；而酸處理和低濃度的DH處理能夠顯著降低卵和BmN(家蠶卵巢細(xì)胞)細(xì)胞的m6A水平，暗示低水平m6A是家蠶卵滯育解除的因素之一；而高濃度的DH則與高水平m6A相關(guān)，推測高水平m6A參與家蠶的卵滯育維持(Jiangetal., 2019)(圖1: B)。

miRNA也是調(diào)控家蠶卵滯育的候選因子。相比滯育卵，鹽酸解除滯育后有61個(gè)miRNA表達(dá)模式發(fā)生了顯著變化，其中23個(gè)miRNA表達(dá)上調(diào)，38個(gè)下調(diào)(圖1: C)，這些miRNA的潛在靶基因可能參與調(diào)控蛋白質(zhì)生產(chǎn)、加工和運(yùn)輸(Fanetal., 2017)，可能與滯育維持分子事件相關(guān)。高通量測序結(jié)果暗示山梨醇脫氫酶(sorbitol dehydrogenase, SDH)和Bmo-miR-2761-3p表達(dá)負(fù)相關(guān)(Fanetal., 2017)，SDH是家蠶利用山梨醇(glycogen)合成糖原的關(guān)鍵酶(Rubioetal., 2011)。雙熒光素酶報(bào)告分析顯示，Bmo-miR-2761-3p能夠抑制BmSdh的表達(dá)；鹽酸處理后BmSdh表達(dá)顯著上調(diào)，而Bmo-miR-2761-3p顯著下調(diào)(Fanetal., 2017)，暗示miR-2761-3p對BmSdh的轉(zhuǎn)錄活性抑制是家蠶卵滯育維持期重要的分子事件(圖1: D)。

從表觀遺傳調(diào)控家蠶卵滯育的研究中不難發(fā)現(xiàn)，多種表觀遺傳機(jī)制可能共同調(diào)控其滯育，調(diào)控的時(shí)期似乎也類似。這些表觀遺傳調(diào)控過程發(fā)生在染色體、DNA和RNA等不同水平，在滯育調(diào)控中具有不同的生物學(xué)功能，可能各自發(fā)揮作用，也可能協(xié)同調(diào)控滯育相關(guān)的核心過程，例如DH的合成或靶標(biāo)細(xì)胞對DH的響應(yīng)等。目前，關(guān)于表觀遺傳調(diào)節(jié)卵滯育的研究主要是相關(guān)性層面的工作，尚缺乏功能性驗(yàn)證研究。因此，哪些表觀遺傳調(diào)控過程在卵滯育調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用仍不明確，需要進(jìn)一步深入研究。

2 幼蟲滯育調(diào)控

幼蟲滯育在鱗翅目昆蟲中較為常見，大多數(shù)幼蟲滯育的昆蟲以末齡幼蟲進(jìn)入滯育，也有初齡幼蟲滯育的報(bào)道(Denlingeretal., 2005)。在滯育誘導(dǎo)條件下，高濃度的JH抑制促前胸腺激素(prothoracicotropic hormone, PTTH)的釋放，PTTH缺乏導(dǎo)致蛻皮激素合成受阻，從而抑制幼蟲變態(tài)，昆蟲發(fā)育停滯在幼蟲階段。因此，JH合成上調(diào)和蛻皮激素缺乏是幼蟲滯育的關(guān)鍵(Bogus and Scheller, 1996; Denlingeretal., 2005)。組蛋白乙?；⒔M蛋白甲基化、DNA甲基化、siRNA和miRNA可能參與昆蟲的幼蟲滯育(圖2: A)。

圖2 表觀遺傳參與昆蟲幼蟲滯育調(diào)控Fig. 2 Epigenetics involved in regulation of insect larval diapauseA: 昆蟲幼蟲滯育涉及的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制：組蛋白乙?；?Santos et al., 2018)；組蛋白甲基化(Poupardin et al., 2015； and Ko?tál, 2017)；DNA甲基化(Pegoraro et al., 2016)；sRNAs(Poupardin et al., 2015; Batz et al., 2017)。Epigenetic regulation mechanisms involved in insect larval diapause, including histone acetylation (Santos et al., 2018), histone methylation (Poupadin et al., 2015; and Ko?tál, 2017), DNA methylation (Pegoraro et al., 2016), and sRNAs (Poupadin et al., 2015; Batz et al., 2017). B: 麗蠅蛹集金小蜂雌蜂DNA甲基化水平能夠響應(yīng)光周期信號(Pegoraro et al., 2016)。DNA methylation of female wasp of Nasonia vitripennis was able to respond to photoperiodic signals (Pegoraro et al., 2016). C: Dnmt1a介導(dǎo)的DNA維持甲基化是子代麗蠅蛹集金小蜂滯育的關(guān)鍵；而Dnmt3介導(dǎo)的DNA從頭甲基化可能最先響應(yīng)光周期信號的變化；但這一分子過程的具體機(jī)制尚不清晰(Pegoraro et al., 2016)。Maintenance of DNA methylation mediated by Dnmt1a is the key to diapause of N. vitripennis, and de novo DNA methylation mediated by Dnmt3 may be the first to respond to photoperiodic signals; however, specific mechanism of the process is still unclear (Pegoraro et al., 2016). LD: 長日照Long day; SD: 短日照 Short day.

獨(dú)居采油蜂Tetrapediadiversipes是一種生活在熱帶的獨(dú)居蜂，一年兩化，在雨季發(fā)生的第1代不滯育，旱季發(fā)生的第2代以5齡幼蟲進(jìn)入滯育(Santosetal., 2018)。滯育期幼蟲組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶基因Kat7、組蛋白基因H3和鄰近鋅指溴結(jié)構(gòu)域蛋白2B(bromodomain adjacent to zinc finger domain protein 2B, BAZ2B)基因表達(dá)顯著上調(diào)，而組蛋白基因H2A和H2B表達(dá)下調(diào)(Santosetal., 2018)。KAT7屬于MYST家族，主要催化H4組蛋白乙?；揎?Drazicaetal., 2016)；包含溴尿嘧啶結(jié)構(gòu)域的BAZ2B是組蛋白乙?；揎椀拈喿x器，能夠與乙?；揎椀慕M蛋白發(fā)生互作，尤以與組蛋白H3的互作最強(qiáng)(BAZ2B與H3的轉(zhuǎn)錄活性一致也印證了這一觀點(diǎn))(Filippakopoulosetal., 2012)。表明KAT7介導(dǎo)的H4乙酰化和BAZ2B相關(guān)的H3乙?；揎梾⑴c該蜂的幼蟲滯育維持，組蛋白乙?；降纳呖赡馨殡S滯育維持期基因轉(zhuǎn)錄的變化，至于究竟影響了哪些基因的表達(dá)尚需進(jìn)一步研究。

麗蠅蛹集金小蜂Nasoniavitripennis的滯育受到母體調(diào)控，以幼蟲進(jìn)入滯育(Saunders, 1965)。雌性麗蠅蛹集金小蜂DNA甲基化水平在不同的光周期條件下顯著不同，表明母體DNA甲基化水平能夠響應(yīng)環(huán)境光周期信號(圖2: B)；且無論在何種光周期下，通過RNAi干擾DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因Dnmt1a或飼喂5-氮雜胞嘧啶核苷都會誘導(dǎo)雌蜂產(chǎn)生滯育后代，敲低Dnmt3表達(dá)則會增加長光照下該蜂的滯育率(Pegoraroetal., 2016)。Dnmt3與從頭DNA甲基化(denovoDNA methylation)相關(guān)(Ooietal., 2007)，提示低水平維持DNA甲基化是參與麗蠅蛹集金小蜂滯育誘導(dǎo)的主要因素，而從頭甲基化水平的降低可能最先響應(yīng)光周期信號(圖2: C)。這是由DNA甲基化過程決定的，從頭DNA甲基化不需要模板鏈上存在甲基化修飾，而維持甲基化需要模板鏈上已經(jīng)存在的甲基化修飾指導(dǎo)(Ooietal., 2007)。

miRNA也可能參與幼蟲滯育調(diào)控。滯育誘導(dǎo)條件下，白紋伊蚊Aedesalbopictus卵母細(xì)胞miRNA豐度沒有明顯變化，表明miRNA并不作為跨代的表觀遺傳信號參與白紋伊蚊滯育誘導(dǎo)，而在滯育幼蟲中miRNA豐度發(fā)生了顯著變化，表明miRNA可能參與白紋伊蚊的幼蟲滯育維持；這些豐度發(fā)生變化的miRNA可能參與發(fā)育停滯、脅迫耐受、免疫應(yīng)答和代謝調(diào)控，可能與白紋伊蚊滯育維持分子事件相關(guān)(Batzetal., 2017)。

表觀遺傳調(diào)控的最終結(jié)果是基因的程序性表達(dá)，目前的研究尚未明確表觀遺傳作用幼蟲滯育相關(guān)靶標(biāo)基因效應(yīng)元件的位點(diǎn)和過程。與表觀遺傳調(diào)控家蠶卵滯育類似，不同表觀遺傳過程可能同時(shí)參與C.costata的幼蟲滯育調(diào)控，進(jìn)一步提示表觀遺傳調(diào)控昆蟲滯育存在協(xié)同。另外，在昆蟲幼蟲滯育調(diào)控中并未發(fā)現(xiàn)表觀遺傳能夠耦聯(lián)JH和蛻皮激素等幼蟲滯育調(diào)控的關(guān)鍵激素信號，因此需要進(jìn)一步拓展表觀遺傳響應(yīng)或誘導(dǎo)昆蟲幼蟲滯育內(nèi)分泌信號的研究。

3 蛹滯育調(diào)控

蛹滯育在鱗翅目和雙翅目昆蟲中較為常見。滯育誘導(dǎo)條件下PTTH合成受阻，PTTH缺乏進(jìn)一步降低20-羥基蛻皮酮(20-hydroxyecdysone, 20E)合成，低水平的PTTH和20E是昆蟲蛹滯育的內(nèi)分泌基礎(chǔ)(Denlingeretal., 2005)。表觀遺傳參與昆蟲蛹滯育調(diào)控的研究較多，組蛋白乙?；?、組蛋白去甲基化和miRNA可能參與昆蟲蛹滯育調(diào)控(圖3: A)。

圖3 表觀遺傳參與昆蟲蛹滯育調(diào)控Fig. 3 Epigenetics involved in regulation of insect pupal diapauseA: 昆蟲蛹滯育涉及的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制：多梳蛋白家族(PcG)(Lu et al., 2013; Yocum et al., 2015)；異染色質(zhì)蛋白(HP1a) (Reynolds, 2017)；組蛋白乙?；?Reynolds et al., 2016)；組蛋白甲基化(Reynolds et al., 2013)；sRNAs(Reynolds et al., 2016)；miRNA(Reynolds et al., 2017, 2019)。Epigenetic regulation mechanisms involved in insect pupal diapause, including polycomb group (PcG) (Lu et al., 2013; Yocum et al., 2015), heterochromatin protein 1a (HP1a) (Reynolds, 2017), histone acetylation (Reynolds et al., 2016), histone methylation (Reynolds et al., 2013), sRNAs (Reynolds et al., 2016), and miRNA (Reynolds et al., 2017, 2019). B: 棉鈴蟲PRC2介導(dǎo)PTTH啟動子H3K27me3能夠調(diào)節(jié)PTTH水平從而調(diào)控其滯育(Lu et al., 2013)。PRC2 mediated PTTH promoter H3K27me3 in Helicoverpa armigera can regulate PTTH level and then regulate diapause (Lu et al., 2013). C: miR-277-3p通過抑制轉(zhuǎn)導(dǎo)到胞內(nèi)的胰島素信號抑制FOXO的核輸出，進(jìn)而促進(jìn)脂質(zhì)積累，最終導(dǎo)致美洲棉鈴蟲進(jìn)入滯育；對miR-277-3p的抑制可能是蛹滯育昆蟲解除滯育的關(guān)鍵(Ling et al., 2017; Reynolds et al., 2019)。miR-277-3p inhibits nuclear output of FOXO by inhibiting insulin signal transduction into the cell, thus promoting lipid accumulation, and eventually leading to diapause in Helicoverpa zea; inhibition of miR-277-3p may be the key for diapause elimination of pupal diapause insects (Ling et al., 2017; Reynolds et al., 2019). DzNep: PRC2抑制劑 PRC2 inhibitor; PTTH: 促前胸腺激素Prothymocytic hormone; 20E: 20-羥基蛻皮酮20-Hydroxyecdysone; DH: 滯育激素Diapause hormone; RNAi: RNA干擾RNA interference; FOXO: O型插頭轉(zhuǎn)錄因子Forkhead box O.

多梳蛋白家族(polycomb group, PcG)是一種轉(zhuǎn)錄抑制子，通過組蛋白的翻譯后修飾影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而沉默相關(guān)基因的表達(dá)；PcG蛋白在進(jìn)化上具有良好的保守性，主要包括兩個(gè)參與不同組蛋白修飾過程的蛋白，即參與H2AK119Ub的PRC1(polycomb repressive complex 1)和H3K27me3的PRC2(Reynoldsetal., 2017)。PcG家族的功能實(shí)現(xiàn)需要與轉(zhuǎn)錄激活子三胸蛋白家族(trithorax group, TrxG)相互拮抗，這一過程需要組蛋白甲基化修飾的參與(Kennison, 1995; Ringrose and Paro, 2007; Schwartz and Pirrotta, 2007)。

在棉鈴蟲Helicoverpaarmigera蛹滯育中，定位于PTTH神經(jīng)分泌細(xì)胞的PRC2亞基ESC(extra sex comb)在非滯育蛹腦中表達(dá)高于滯育期蛹腦(Luetal., 2013)；而PRC2是H3K27me3的關(guān)鍵修飾調(diào)控因子(Ringrose and Paro, 2004; Campos and Reinberg, 2009)。ESC能夠激活棉鈴蟲PTTH啟動子，表明PRC2介導(dǎo)的H3K27me3在PTTH啟動子上富集；向非滯育蛹注射PRC2抑制劑DzNep后，H3K27me3水平降低，PTTH表達(dá)下調(diào)，處理蛹表現(xiàn)出滯育狀態(tài)，表明PRC2介導(dǎo)低水平H3K27me3是棉鈴蟲蛹滯育誘導(dǎo)的關(guān)鍵(Luetal., 2013)(圖3: B)。在苜蓿切葉蜂Megachilerotundata蛹滯育調(diào)控中，滯育的預(yù)蛹中有5個(gè)上調(diào)的PcG家族基因，包括Bmi-1(BLymphomaMo-MLVInsertionRegion1),E(pc)(enhancerofpolycomb),Psc(posteriorsexcomb),Asx(additionalsexcomb)和Scm(sexcombonmidleg)(Yocumetal., 2015)，暗示PcG參與了苜蓿切葉蜂滯育維持。此外，siRNA相關(guān)的Ago-2基因也參與了苜蓿切葉蜂的滯育維持(Yocumetal., 2015)，表明多種表觀遺傳修飾調(diào)控可能同時(shí)參與某一昆蟲的蛹滯育過程。

表觀遺傳參與昆蟲蛹滯育調(diào)控在麻蠅Sarcophagabullata中的研究較為豐富。異染色質(zhì)蛋白1a(heterochromatin protein 1a, HP1a)可能參與麻蠅的蛹滯育調(diào)控。相比非滯育蛹，滯育蛹中HP1a表達(dá)下調(diào)近50%(Reynolds, 2017)。HP1家族是一類保守的表觀遺傳調(diào)控因子，通過與H3K9me3互作促進(jìn)異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域(如端粒和著絲粒)的形成；HP1還可以結(jié)合常染色質(zhì)并與其他蛋白質(zhì)(如組蛋白去甲基酶dKDM4A)或RNA互作，從而調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄(Meisteretal., 2011; Reynolds, 2017)。HP1a的下調(diào)促進(jìn)滯育蛹異染色質(zhì)向常染色質(zhì)變構(gòu)，可能參與滯育維持相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄激活。

組蛋白H3乙酰化水平降低是一些物種的滯育特征(Denlinger, 2002)。組蛋白H3乙酰化能夠參與麻蠅的蛹滯育誘導(dǎo)、維持和解除，表明低水平組蛋白H3乙酰化可能是麻蠅蛹滯育調(diào)控的關(guān)鍵(Reynoldsetal., 2016)。盡管總的H3乙?；浇档?，但參與去乙?；^程的相關(guān)基因Hdac3,Hdac6,Sirt1和Sirt2表達(dá)并沒有明顯上調(diào)(Reynoldetal., 2016)，因此介導(dǎo)滯育過程中H3去乙?；恼{(diào)節(jié)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

組蛋白去甲基化可能參與麻蠅的蛹滯育調(diào)控。組蛋白去甲基化酶基因Lsd1和Su(var)3-9在注定滯育的幼蟲中分別上調(diào)1.5和2倍(Reynoldsetal., 2013)。Lsd1和Su(var)3-9分別參與H3K4和H3K9的去甲基化過程(Czerminetal., 2001; Di Stefanoetal., 2007)，表明低水平H3K4和H3K9甲基化可能參與麻蠅蛹滯育誘導(dǎo)。進(jìn)入滯育后，相比正常發(fā)育的麻蠅，Lsd1和Su(var)3-9的表達(dá)又顯著降低，表明一定水平的H3K4和H3K9甲基化可能有助于麻蠅的滯育維持。此外，miRNA相關(guān)的Ago-1，siRNA相關(guān)的Ago-2和R2D2以及piRNA相關(guān)的Piwi和Spindle-E均在滯育誘導(dǎo)條件下顯著上調(diào)，表明小RNAs可能參與了麻蠅蛹滯育誘導(dǎo)(Reynoldsetal., 2013)；一些miRNA還可以阻止麻蠅蛹進(jìn)入滯育(Reynoldsetal., 2017)，miRNA調(diào)控網(wǎng)絡(luò)可能參與麻蠅的滯育決定。在麻蠅以外的多種昆蟲中都發(fā)現(xiàn)miRNA參與調(diào)控蛹滯育。美洲棉鈴蟲Helicoverpazea的蛹滯育可以被20E, DH和DH類似物解除，對滯育蛹分別注射3種激素均導(dǎo)致胰島素/FOXO通路相關(guān)的miR-277-3p顯著下調(diào)(Reynoldsetal., 2019)。在埃及伊蚊Aedesaegypti中，干擾miR-277-3p能夠激活胰島素信號增強(qiáng)FOXO的核輸出，從而導(dǎo)致脂肪體脂質(zhì)減少(Lingetal., 2017)。miR-277-3p豐度的降低可能是一些昆蟲解除滯育的關(guān)鍵(圖3: C)。

表觀遺傳參與昆蟲蛹滯育調(diào)控的研究較多，其中尤以麻蠅蛹滯育調(diào)控研究最為豐富。這些報(bào)道以相關(guān)性研究為主，機(jī)制研究較為欠缺，亟待深入研究。PRC2介導(dǎo)的棉鈴蟲PTTH啟動子區(qū)H3K27me3能夠影響其蛹滯育，這一研究表明滯育關(guān)鍵基因座及其調(diào)控子區(qū)域的表觀遺傳在昆蟲的滯育調(diào)控中具有重要作用。在美洲棉鈴蟲蛹滯育調(diào)控中，20E和DH介導(dǎo)的胰島素/FOXO相關(guān)miR-277-3p下調(diào)表明，耦聯(lián)內(nèi)分泌信號是表觀遺傳調(diào)控昆蟲滯育的可能環(huán)節(jié)。綜上，需要進(jìn)一步探討蛹滯育調(diào)控中表觀遺傳與內(nèi)分泌信號之間的相互作用，以及表觀遺傳對滯育誘導(dǎo)環(huán)境信號的應(yīng)答機(jī)制。

4 成蟲滯育或生殖滯育調(diào)控

成蟲滯育的昆蟲主要表現(xiàn)為雌性卵巢和雄性附腺發(fā)育受到抑制，脂質(zhì)大量積累，有些昆蟲還具有鉆土和尋找庇護(hù)所的行為特征(Danks, 1987)。目前認(rèn)為，成蟲滯育主要因JH缺乏引起(Denlingeretal., 2005; Liuetal., 2016)。昆蟲腦感受滯育誘導(dǎo)環(huán)境信號后抑制咽側(cè)體(corpus allatum, CA)合成JH，低水平JH作用卵巢后導(dǎo)致成蟲滯育；反之，滯育解除或發(fā)育信號可以促進(jìn)CA合成JH，高水平JH解除成蟲滯育并促進(jìn)生殖(Cadetal., 1987; Denlingeretal., 2005)。目前表觀遺傳參與昆蟲成蟲滯育調(diào)控的研究較少，在尖音庫蚊Culexpipiens中的研究表明組蛋白去乙?；?、TrxG家族基因和miRNA可調(diào)控成蟲滯育(圖4)。

滯育誘導(dǎo)條件可能影響尖音庫蚊的組蛋白乙酰化水平和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。低溫短光照條件下尖音庫蚊Sin3和NuRD復(fù)合體基因表達(dá)顯著上調(diào)(Hickneretal., 2015)，NuRD復(fù)合體具有核小體重構(gòu)和去乙?；芰?Clapier and Cairns, 2009)，而Sin3本身即包括HDAC1和HDAC2兩種去乙?；富钚?Reynoledsetal., 2017)；表明滯育誘導(dǎo)條件可能降低尖音庫蚊染色質(zhì)乙酰化水平，進(jìn)而促進(jìn)染色質(zhì)向異染色質(zhì)變構(gòu)，暗示組蛋白乙?；腿旧|(zhì)重構(gòu)與滯育誘導(dǎo)或滯育準(zhǔn)備期相關(guān)基因的沉默有關(guān)。此外，20E合成基因Spook和Disembodied，以及TrxG家族基因亦顯著上調(diào)(Hickneretal., 2015)，TrxG與PcG拮抗能夠調(diào)控果蠅Drosophila的壽命和應(yīng)激反應(yīng)(Sieboldetal., 2010)；不過滯育誘導(dǎo)條件下尖音庫蚊PcG家族基因的表達(dá)情況尚不明確，TrxG家族基因的上調(diào)可能參與尖音庫蚊滯育誘導(dǎo)期對環(huán)境信號的響應(yīng)，也可能參與滯育準(zhǔn)備期相關(guān)分子事件(如脂質(zhì)積累)的激活。

滯育的尖音庫蚊成蟲羽化后的第22天開始出現(xiàn)脂肪體和卵巢的生理表型，參與尖音庫蚊脂質(zhì)代謝和卵巢發(fā)育的相關(guān)miRNA在尖音庫蚊成蟲羽化第1天就表現(xiàn)出明顯的表達(dá)差異，可能參與其滯育準(zhǔn)備；進(jìn)入滯育后，雌蟲miRNA表達(dá)顯著下調(diào)、豐度較低，可能參與其滯育維持(Meutietal., 2018)。表觀遺傳可能通過作用于內(nèi)分泌信號、脂質(zhì)代謝和卵黃原沉積調(diào)控成蟲滯育。

圖4 表觀遺傳參與昆蟲成蟲滯育的時(shí)期Fig. 4 Period of epigenetics involved in insect adult diapause涉及的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制Epigenetic regulation mechanisms involved: 三胸蛋白家族Trithorax group (TrxG) (Hickner et al., 2015); 組蛋白乙?；疕istone acetylation (Hickner et al., 2015); miRNAs (Meuti et al., 2018).

5 小結(jié)與展望

目前的報(bào)道認(rèn)為，組蛋白修飾、DNA甲基化、RNA甲基化和小非編碼RNA均可能參與昆蟲滯育調(diào)控，但其他類型表觀遺傳在昆蟲滯育中的作用尚不明確，需要進(jìn)一步拓展和補(bǔ)充。表觀遺傳在昆蟲的滯育誘導(dǎo)、滯育準(zhǔn)備、滯育維持和滯育解除調(diào)控中可能都有作用，現(xiàn)有的研究主要集中在卵滯育、幼蟲滯育和蛹滯育昆蟲中，在成蟲滯育昆蟲中的研究較少，亟待進(jìn)一步研究。表觀遺傳調(diào)控的最終結(jié)果是靶標(biāo)基因的程序性表達(dá)(Luetal., 2013; Geetal., 2017, 2018)，現(xiàn)有的研究已經(jīng)聚焦到表觀遺傳能夠調(diào)控滯育相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄活性(Luetal., 2013; Batzetal., 2017; Fanetal., 2017)，然而這些研究尚不足以揭示昆蟲滯育表觀遺傳調(diào)控的分子機(jī)制。相比之下，更多的研究僅僅關(guān)注到滯育選擇壓力下和滯育期間昆蟲表觀遺傳調(diào)控水平的差異，對于發(fā)展昆蟲滯育的表觀遺傳調(diào)控理論作用有限，需要進(jìn)一步明確昆蟲滯育表觀遺傳調(diào)控的具體機(jī)制。

5.1 昆蟲滯育表觀遺傳調(diào)控潛在的分子機(jī)制

滯育可以發(fā)生在昆蟲發(fā)育的各個(gè)時(shí)期，無論是滯育還是發(fā)育調(diào)控都需要內(nèi)分泌信號的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。而表觀遺傳是一個(gè)系統(tǒng)性調(diào)控過程，在昆蟲的各個(gè)發(fā)育時(shí)期都具有生物學(xué)功能。因此，表觀遺傳耦聯(lián)內(nèi)分泌調(diào)控是其調(diào)節(jié)滯育的可能方式。目前的研究已經(jīng)關(guān)注到，組蛋白去乙?；T導(dǎo)20E合成基因表達(dá)(Hickneretal., 2015)，并且參與JH功能(Georgeetal., 2019; George and Palli, 2020)。在赤擬谷盜Triboliumcastaneum中，組蛋白去乙酰化酶HDAC1和HDAC3通過影響JH應(yīng)答基因Kr-h1(Krüppelhomolog1)的表達(dá)，調(diào)節(jié)變態(tài)發(fā)育(Georgeetal., 2019; George and Palli, 2020)。在家蠶中，施加外源20E能夠激活Bm12細(xì)胞系環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)響應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP responsive element binding protein, CREB)的表達(dá)，并誘導(dǎo)CBP(CREB binding protein)介導(dǎo)的組蛋白H3K27ac(Lyuetal., 2020)。上述研究均指向表觀遺傳可能耦聯(lián)昆蟲內(nèi)分泌信號。然而表觀遺傳如何響應(yīng)或誘導(dǎo)內(nèi)分泌信號調(diào)控昆蟲滯育尚需進(jìn)一步深入研究。

表觀遺傳調(diào)控還需要許多信號通路參與，雷帕霉素靶蛋白(mechanistic target of rapamycin, mTOR)通路可能是滯育調(diào)控中耦聯(lián)環(huán)境信號與表觀遺傳的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。mTOR通路能夠響應(yīng)能量、生長因子和壓力信號，調(diào)控細(xì)胞生長、增殖、發(fā)育和代謝(Markaki and Tavernarakis, 2013)。在黑腹果蠅D.melanogaster中，TOR活性降低能夠顯著增強(qiáng)FOXO活性從而破除胰島素抵抗以延長果蠅壽命(Luongetal., 2006)。而胰島素/TOR通路能夠響應(yīng)溫度信號調(diào)控蟋蟀Modicogryllussiamensis的冬季若蟲滯育(Mikietal., 2020)。TOR的活性下降可能與昆蟲滯育啟動相關(guān)(Wangetal., 2020)。在棉鈴蟲滯育蛹腦中，TOR和TOR相關(guān)蛋白Raptor顯著下調(diào)，另一TOR相關(guān)蛋白P-S6K則顯著上調(diào)；P-S6K能夠響應(yīng)上游活性氧(reactive oxygen species, ROS)和AKT并促進(jìn)下游CREB與HIF-1α啟動子結(jié)合，進(jìn)而激活HIF-1α的表達(dá)；高水平HIF-1α能夠顯著降低滯育昆蟲線粒體活性，從而靜默昆蟲能量代謝以誘導(dǎo)滯育進(jìn)入，CREB激活HIF-1α表達(dá)可能伴隨CBP介導(dǎo)的組蛋白乙酰化修飾(Wangetal., 2020)。

果蠅TORC1的激活需要瞬時(shí)受體電位類M通道蛋白(transient receptor potential channel M-like, TRPML)的介導(dǎo)(Wongetal., 2012)，瞬時(shí)受體電位通道蛋白(transient receptor potential channels, TRPCs)可能在mTOR通路中發(fā)揮作用。生物鐘系統(tǒng)是昆蟲響應(yīng)環(huán)境光周期的核心(Saunders, 2020)，果蠅TRPCs可以耦聯(lián)環(huán)境溫度信號與生物鐘系統(tǒng)(Wolfgangetal., 2013)，且TRP復(fù)合體本身即可作為果蠅生理電信號的儲存裝置(Xuetal., 1997)。瞬時(shí)受體電位C1通道蛋白(transient receptor potential channel C1, TRPC1)介導(dǎo)的Ca2+信號流能夠激活核內(nèi)PCAF(P300/CBP-associated factor)介導(dǎo)的表觀遺傳修飾(Yapetal., 2019)，表明TRPC1可能耦聯(lián)環(huán)境信號和表觀遺傳調(diào)控，在昆蟲滯育調(diào)控中可能扮演重要角色。瞬時(shí)受體電位A1通道蛋白(transient receptor potential channel A1, TRPA1)通過響應(yīng)環(huán)境溫度變化，從而介導(dǎo)家蠶滯育誘導(dǎo)(Satoetal., 2014)。在親代卵期干擾BmTrpa1能夠顯著提高25℃(滯育誘導(dǎo)溫度)下子代卵的非滯育率，TRPA1的缺失能夠影響家蠶的滯育誘導(dǎo)進(jìn)而影響親代蛹期DH的釋放(Satoetal., 2014)。盡管TRPCs作為生物感知環(huán)境信號的分子元件已是不爭的事實(shí)(Venkatachalam and Montell, 2007)，但TRPCs是否參與表觀遺傳調(diào)控昆蟲滯育尚需證據(jù)加以支持。

5.2 未來的研究方向

昆蟲滯育的表觀遺傳調(diào)控主要包括兩個(gè)問題：一是滯育誘導(dǎo)的環(huán)境信號如何影響表觀遺傳；二是表觀遺傳如何作用昆蟲滯育。未來應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)開展：(1)表觀遺傳響應(yīng)滯育誘導(dǎo)環(huán)境信號的分子機(jī)制研究；(2)表觀遺傳耦聯(lián)內(nèi)分泌調(diào)控的分子機(jī)制研究；(3)介導(dǎo)表觀遺傳調(diào)控的細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)研究；(4)表觀遺傳的協(xié)同調(diào)控在昆蟲滯育中的功能研究。值得注意的是，表觀遺傳響應(yīng)滯育誘導(dǎo)環(huán)境信號的時(shí)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于滯育表型的形成時(shí)期，表觀遺傳信號經(jīng)歷多次積累、傳遞和轉(zhuǎn)換，這種傳遞和轉(zhuǎn)換可能伴隨昆蟲的變態(tài)發(fā)育和跨代調(diào)控。表觀遺傳可能作為滯育調(diào)控或發(fā)育決定的分子標(biāo)志，解析表觀遺傳密碼在滯育調(diào)控中的具體作用對于宏觀理解昆蟲滯育機(jī)制具有重大意義。

可以預(yù)見，表觀遺傳調(diào)控參與生物發(fā)育可塑性研究會全面進(jìn)入機(jī)制研究階段。以表觀遺傳為切入點(diǎn)，滯育調(diào)控為中心，明確表觀遺傳在滯育調(diào)控機(jī)制中的位置、響應(yīng)滯育誘導(dǎo)環(huán)境信號具體過程、與滯育相關(guān)基因互作機(jī)制以及誘導(dǎo)或響應(yīng)滯育內(nèi)分泌調(diào)控過程將會是表觀遺傳調(diào)控昆蟲滯育機(jī)制研究的核心內(nèi)容。明確表觀遺傳參與昆蟲滯育調(diào)控的具體機(jī)制是昆蟲滯育研究的必經(jīng)之路，對于了解生物休眠和生物發(fā)育具有重要意義，可以進(jìn)一步發(fā)展和提高昆蟲資源保護(hù)利用、害蟲防控與綜合治理等領(lǐng)域的技術(shù)與水平。

致謝感謝華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院朱智慧副教授在本文撰寫中提出的寶貴建議和意見。