鈣離子介導昆蟲蛻皮激素和保幼激素信號轉導的研究進展

李欣，楊勁鵬，孫煒瀚，朱清宇，李兵,2*

（1.蘇州大學 蘇州醫(yī)學院，江蘇蘇州 215123；2.蘇州大學蠶桑研究所，江蘇蘇州 215123）

Ca2+在生物體內廣泛分布，調控基因轉錄、細胞增殖、自噬凋亡和組織分化發(fā)育等多種生理活動[1-2]。Ca2+在細胞中主要儲存在內質網和線粒體內，參與細胞內激素信號的轉導和信息傳遞，是各種信號轉導通路的關鍵環(huán)節(jié)。目前，Ca2+在昆蟲細胞中的功能是研究熱點之一。保幼激素（Juvenile Hormone，JH）和蛻皮激素（20-Hydroxyecdysone，20E）是調節(jié)昆蟲生命活動的重要激素，對鱗翅目類昆蟲幼蟲的生長、生殖系統發(fā)育以及結繭等過程有顯著的調控作用。JH 是一類半萜類化合物，可以延長昆蟲幼蟲期和維持幼蟲特征[3-4]。20E 可以調節(jié)昆蟲的蛻皮過程，促進幼齡期縮短，被廣泛應用于家蠶生產。Ca2+穩(wěn)態(tài)通過20E和JH 調控昆蟲的生長發(fā)育是近年來的研究熱點。

1 Ca2+和Ca2+通道

1.1 Ca2+的功能

Ca2+在植物[5]、昆蟲[1]以及哺乳動物[6]的正常生長發(fā)育中發(fā)揮重要的調控作用，參與生物體多種生理活動的調控，包括基因轉錄、核孔復合物的調節(jié)、細胞增殖、細胞分化、自噬凋亡、受精、突觸傳遞、肌肉收縮和腺體分泌等[1-2]，在昆蟲的變態(tài)發(fā)育中對舊組織凋亡和新組織形成有著重要作用。Ca2+的跨膜通道種類繁多，信號通路復雜，因此Ca2+的轉運、穩(wěn)態(tài)和調控過程一直是研究熱點。

1.2 Ca2+通道

細胞的Ca2+通道主要有電壓門控鈣通道（VOC）、受體控制鈣通道（ROC）和鈣庫控制鈣通道（SOC）三種類型[1]。VOC 主要分布在興奮性細胞，分為T 型、N 型、L 型、P/Q 型和R 型[1,7]。ROC 是指通過與受體結合而激活的離子通道。SOC 是指由于細胞內的Ca2+釋放而激活細胞膜的Ca2+通道。

2 Ca2+和鈣庫

細胞內游離鈣濃度維持在極低的水平，約為100 nmol/L，細胞外Ca2+濃度為1 ～2 mmol/L[8]，細胞內外Ca2+濃度相差約104倍。內質網的Ca2+濃度維持在0.1 ～1.0 mmol/L[7]。內質網和線粒體是細胞的Ca2+庫，在調控各種生理活動中發(fā)揮著關鍵作用。

2.1 內質網

內質網是細胞內重要的細胞器，內部儲存著豐富的Ca2+。內質網膜上有兩種鈣通道蛋白：1,4,5-三磷酸肌醇受體鈣通道（IP3Rs）和蘭尼堿受體通道（RyRs）；IP3Rs 至少有四種亞型，RyRs 可分為三種亞型[1]。此外，內質網上的鈣轉運系統還包括內質網鈣泵（SERCA）和ER 鈣過載激活的Ca2+通道（TMCO1）[7]。

RyRs 的名字來自Ryania屬灌木中提取到的天然產物蘭尼堿（RyR）。RyRs 參與昆蟲肌肉收縮過程，調控內部儲存鈣的釋放。新型殺蟲劑氯蟲苯甲酰胺（CAP）選擇性作用于RyRs，可以誘導內質網中儲存的Ca2+釋放，引起害蟲肌肉調節(jié)功能衰弱[7]，從而殺滅害蟲。

IP3Rs 屬于內質網的鈣釋放通道家族，游離Ca2+的濃度對IP3Rs 有雙向調節(jié)作用，低濃度Ca2+促進IP3Rs 活性而高濃度抑制其活性，維持細胞內Ca2+穩(wěn)態(tài)平衡[7]。此外，內質網膜上的IP3Rs 和RyRs 同源，具有高度的結構相似性[9]。

SERCA 分子量為110 kDa，含有兩個Ca2+結合位點，是內質網攝取Ca2+的主要途徑，通過消耗腺苷三磷酸（ATP）將Ca2+逆濃度梯度轉運至內質網中。在杜氏肌營養(yǎng)不良模型（Mdx）小鼠中使用SERCA 變構激活劑（CDN1163）7 周，可增加肌肉力量和性能，并降低肌肉退化率[10]。

TMCO1 是內質網的跨膜蛋白。當出現內質網鈣超載時，TMCO1 由單聚體組裝成四聚體的通道，促進內質網中Ca2+釋放，維持內質網的Ca2+穩(wěn)態(tài)[7]。

2.2 線粒體

線粒體內也儲存大量的Ca2+，Ca2+可以通過線粒體鈣單向轉運體（MCU）、電壓依賴性陰離子選擇通道、線粒體蘭尼堿受體轉運體、線粒體通透性過渡孔（MPTP）和線粒體Na+/Ca2+-Li+交換體（NCLX）被線粒體吸收和釋放[7,11]，它們共同維持著線粒體內Ca2+的穩(wěn)態(tài)。由于MCU 沒有經典的Ca2+結合域，多種輔助亞基與MCU 結合成線粒體Ca2+離子通道，共同完成Ca2+的攝取[7]，相關的輔助亞基有EMRE、MICU1/2/3、MCUR1 和MCUb[11]。

3 昆蟲激素

昆蟲的內源性激素主要有20E 和JH。20E 可以促進幼蟲的生長蛻皮，而JH 可以減緩幼蟲生長，維持幼蟲特征。昆蟲激素以及昆蟲激素類似物被廣泛應用在生產上，提高了生產效率。

3.1 蛻皮激素

20E 由前胸腺（鱗翅目類）、頭胸腺（東亞飛蝗）或環(huán)腺（蠅類）分泌[3]，主要調節(jié)昆蟲的蛻皮過程和成蟲的結構分化。在生產上，20E 常用來處理5 齡家蠶，使得蠶體發(fā)育整齊，可提高生產效率。在家蠶BmN4細胞系中添加20E 后，此前IncR17454 基因表達被抑制的家蠶lncR17454 和let-7 簇的表達水平均顯著升高，表現為蛻皮停滯現象消失[12]。可見蛻皮素信號通路在家蠶的變態(tài)發(fā)育中發(fā)揮重要的調控作用。

3.2 保幼激素

JH 是在昆蟲咽側體通過甲羥戊酸途徑合成的一類半萜類化合物，隨后分泌進入血淋巴[4]，具有維持幼蟲特征和促進性腺的作用[3]。目前，JH 已在昆蟲中鑒定出八種類型，分別為JH0、JH I、JH Ⅱ、JH Ⅲ、4-甲基JH I、JHB Ⅲ、JHSB Ⅲ和MF[13]。不同的JH類型在昆蟲的不同功能中發(fā)揮著各自的作用，NUR ALIAH 等[13]認為，JH Ⅲ在不同昆蟲中是最常見的，廣泛分布于鱗翅目、雙翅目和膜翅目昆蟲中。JH 在生產上被用于延長家蠶幼蟲期，增加家蠶進食量，從而增加吐絲量和產繭量。同時JH 類似物（JHA）作為“第三代殺蟲劑”已使用了近45 年，對病媒控制、阻斷幼蟲細胞的死亡和延長幼蟲期發(fā)揮了重要作用[14]。

4 Ca2+介導蛻皮激素信號轉導

4.1 20E 基因組調控途徑

20E 與蛻皮激素受體（EcR）和超氣門蛋白（USP）兩個核受體蛋白相互結合形成異源二聚體結合物，在此過程中，EcR 可以直接與20E 結合，而USP 則可以與EcR 直接結合[15]。有研究發(fā)現，在果蠅中發(fā)現了類固醇受體的分子伴侶（MCH），MCH 協助20E-EcR-USP 復合物獲得DNA 結合活性，同時證實了熱休克蛋白（Hsp90 和Hsc70）對于復合體的活性維持是必需的[1]。

4.2 20E 非基因組調控途徑

20E 還可以與膜受體結合，引起膜內Ca2+濃度快速變化，調控下游的基因轉錄和蛋白質翻譯修飾等一系列生理活動[16]，這個過程被稱為20E 的非基因組調控。20E 可以通過G 蛋白偶聯受體（GPCR）、磷脂酶C（PLC）、1,4,5-三磷酸肌醇受體（IP3R）和蛋白激酶C（PKC）信號通路來誘導基質相互作用分子（STIM1）的Ser-485 位點磷酸化。其中，STIM1 是內質網上的細胞內鈣傳感器，對于鈣庫操縱性鈣內流（SOCE）有重要意義[17]。當20E 和GPCR 結合時，PLC 被激活產生三磷酸肌醇（IP3），IP3與內質網上的受體結合將Ca2+從內質網釋放到細胞質中。儲存鈣含量的減少促使STIM1 低聚物的形成，隨后STIM1低聚物轉移到內質網-質膜結合點，激活SOCE 的關鍵蛋白Orai，從而誘導Ca2+的流入[17]。

5 Ca2+介導JH 信號轉導

在JH 的信號轉導途徑中，JH 可以結合細胞膜上的JH 核受體，即Met 和Tai 組成的異源二聚體，隨后激活PKC 信號通路及Ca2+的信息傳遞鏈，從而實現其生物學作用[18]。同時Met-Tai 復合物在JH 反應基因的調控區(qū)識別E-box 樣序列，導致這些基因的轉錄激活[19]。

JH 除了基因組調控途徑外，還可以通過其他非基因組信號轉導通路對昆蟲生命活動進行調控[18]。在非基因調控信號通路上，JH 可通過某種未知的膜受體調控IP3、二酯酰甘油（DAG）和胞內Ca2+水平，并激活下游的PKC 和鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ（CaMK Ⅱ），導致Met 和Tai 的磷酸化[19]，從而完成信號轉導并調控昆蟲各項生命活動。Ca2+作為PKC信號通路上關鍵的一環(huán)，在IP3與內質網的受體結合后，內質網中貯存的Ca2+大量流出，參與信號轉導并且影響下游通路相關分子水平，介導JH 非基因組調控途徑。

有研究者對新出生蚊的腹部組織進行體外培養(yǎng)，在新出現的雌蚊中，RNA 干擾技術（RNAi）介導的PLC 或CaMK Ⅱ的缺失顯著降低了JH 反應基因的表達，PLC 通路的激活導致Met-Tai 復合物與JH 響應元件（JHREs）的結合增強[19]。表明JH 的基因組調控和非基因組調控存在相互作用，兩種調節(jié)機制相互影響和補充。

6 問題與展望

Ca2+廣泛分布于哺乳動物和昆蟲體內，是重要的信號分子，也作為重要離子組分維持機體正常的電生理狀態(tài)。作為細胞的Ca2+庫，內質網和線粒體儲存著大量Ca2+，依賴內質網和線粒體上的鈣離子通道控制Ca2+的釋放和進入。同時，20E 和JH 是調節(jié)昆蟲變態(tài)發(fā)育的重要激素，具有包括基因組調控途徑和非基因組調控途徑在內的多種信號調節(jié)通路，上述信號通路均與Ca2+關系密切。

目前，Ca2+相關研究熱點包括哺乳動物心肌電生理相關領域、昆蟲激素和昆蟲胞內Ca2+調控等領域，但仍有一些問題尚不清楚，比如JH 的基因組調控和非基因組調控之間具體的相互作用機制，泌絲昆蟲絲腺細胞程序性死亡（PCD）過程中Ca2+介導的細胞凋亡和自噬的信號通路機制等。Ca2+在體內的分布對維持細胞生理活動至關重要，在信號轉導通路上任何一個環(huán)節(jié)出現問題都會導致嚴重的后果。系統詳實地闡明Ca2+對JH 和20E 信號轉導的調控作用，可以從分子層面闡述哺乳動物與昆蟲的信號轉導在進化上的差異，為動物組織器官PCD 過程中Ca2+介導的具體分子機制提供參考。