CPR和P450基因在昆蟲抗藥性中的作用研究進(jìn)展

喬憲鳳,王 康,彭 雄,張曉赫,陳茂華*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)圖書館,陜西楊凌 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)植保學(xué)院/作物抗逆與高效生產(chǎn)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn),陜西楊凌 712100)

細(xì)胞色素P450酶系是一種非常重要的氧化酶系,其主要包括細(xì)胞色素P450(Cytochrome P450,P450)、CPR(Cytochrome P450 reductase,CPR)、細(xì)胞色素b5(Cytochrome b5)、NADH-細(xì)胞色素b5還原酶(Nicotinamide adenine dinucleotide-cytochrome b5 reductase)以及磷脂(Phospholipid)等,其中細(xì)胞色素P450和CPR在該酶系起中心作用。細(xì)胞色素P450酶系廣泛存在于自然界所有需氧有機(jī)體中,其在生物個(gè)體代謝內(nèi)源化合物(如類固醇、脂肪酸和激素等)和外源化合物(如農(nóng)藥、藥物、環(huán)境污染物、植物毒素等)中起重要作用(Pandey and Fluck,2013)。

作為細(xì)胞色素P450酶系的核心組成部分,CPR與P450形成一個(gè)電子傳遞鏈,CPR將電子傳遞給P450后,P450才能與農(nóng)藥等化合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。昆蟲和其他動(dòng)物P450基因是一個(gè)超大基因家族,包含多個(gè)P450基因,這些P450可分為微粒體型和線粒體型P450,但是真核生物代謝外源物質(zhì)的P450主要是依賴于CPR的微粒體P450。動(dòng)物體內(nèi)只有一個(gè)CPR,因?yàn)镃PR是P450唯一的電子供體,所以這個(gè)單一的CPR必然與多種不同的P450相互作用,因此,CPR在P450活性反應(yīng)及代謝化合物中起到限速因子的作用,即單一的CPR控制所有的P450的代謝速度與代謝能力,CPR的突變會(huì)顯著影響P450的代謝能力(Pandey and Fluck,2013)。大量的研究表明,CPR基因突變是影響人類P450代謝藥物和環(huán)境有毒物質(zhì)的重要因素(Liangetal.,2017),CPR基因突變及遺傳多態(tài)性對(duì)人類藥物代謝的影響相關(guān)研究非常深入(Agrawaletal.,2008;Hartetal.,2008;Huangetal.,2008;Liangetal.,2017),然而,有關(guān)CPR基因突變影響害蟲對(duì)農(nóng)藥的代謝抗性的研究較為薄弱。本文總結(jié)了P450基因高表達(dá)介導(dǎo)昆蟲對(duì)殺蟲劑抗性的調(diào)控機(jī)制、P450基因介導(dǎo)的昆蟲抗藥性進(jìn)化可塑性、CPR基因在害蟲抗藥性中的作用、CPR基因遺傳多態(tài)性對(duì)P450代謝能力的影響,旨在為深入研究害蟲抗藥性機(jī)制和進(jìn)行害蟲抗藥性治理提供依據(jù)。

1 P450基因高表達(dá)介導(dǎo)昆蟲對(duì)殺蟲劑抗性的調(diào)控機(jī)制

大量研究顯示,P450基因的過量表達(dá)導(dǎo)致昆蟲對(duì)不同農(nóng)藥產(chǎn)生高水平的代謝抗性。引起抗藥性昆蟲P450基因過量表達(dá)的原因可能有P450基因的編碼區(qū)突變、順式作用元件和反式作用因子變化、基因擴(kuò)增等等(Lietal.,2007;Zimmeretal.,2018)。

P450基因啟動(dòng)子區(qū)的變異(即啟動(dòng)子區(qū)順式作用突變,Cis-acting mutation)介導(dǎo)的昆蟲抗藥性在昆蟲中有較多報(bào)道。在衛(wèi)生害蟲的研究中發(fā)現(xiàn),CYP6D1的超高表達(dá)是導(dǎo)致家蠅Muscadomestica對(duì)擬除蟲菊酯類農(nóng)藥產(chǎn)生抗藥性的重要原因,采自美國(guó)的LRR家蠅抗性品系的CYP6D1啟動(dòng)子區(qū)存在一個(gè)15 bp的插入,該插入片段和家蠅對(duì)擬除蟲菊酯的抗性相關(guān)(Seifertetal.,2002),而采自中國(guó)的家蠅擬除蟲菊酯抗性個(gè)體中并非都包含這個(gè)15 bp插入片段,分析認(rèn)為,來自不同地區(qū)的家蠅中包含15 bp啟動(dòng)子插入的CYP6D1基因具有單一起源(Single origin)特性(Panetal.,2018)。CYP6G1的過量表達(dá)導(dǎo)致擬果蠅Drosophilasimulans對(duì)DDT的高水平抗性,但抗性擬果蠅CYP6G1啟動(dòng)子區(qū)插入的是Doc轉(zhuǎn)座子(Schlenkeetal.,2004)。CYP6G1的過量表達(dá)也是黑腹果蠅Drosophilamelanogaster對(duì)DDT產(chǎn)生高水平抗性的主要原因,抗性種群CYP6G1基因的啟動(dòng)子區(qū)插入了一個(gè)Accord轉(zhuǎn)座子,該轉(zhuǎn)座子插入是介導(dǎo)CYP6G1在抗性種群中過量表達(dá)的重要因子(Chungetal.,2007),有些種群的抗性個(gè)體CYP6G1基因還有P因子和HMS-Beagle兩種轉(zhuǎn)座子插入,這些轉(zhuǎn)座子插入也可能在抗性的黑腹果蠅CYP6G1的過量表達(dá)起調(diào)控作用(Schmidtetal.,2010)。致倦庫蚊CulexquinquefasciatusJPal-per抗性品系對(duì)氯菊酯(Permethrin)等擬除蟲菊酯類農(nóng)藥產(chǎn)生極高水平抗性,CYP9M10基因的過量表達(dá)是抗性產(chǎn)生的重要原因,而抗性個(gè)體中CYP9M10基因啟動(dòng)子區(qū)的CuRE1轉(zhuǎn)座子插入和其他順式作用突變是導(dǎo)致該基因過量表達(dá)的重要原因(Itokawaetal.,2010)。

P450介導(dǎo)的農(nóng)業(yè)害蟲抗藥性的順式調(diào)控機(jī)制近年來也有報(bào)道。桃蚜MyzuspersicaeCYP6CY3啟動(dòng)子區(qū)一個(gè)(AC)n重復(fù)微衛(wèi)星能調(diào)控該基因表達(dá),從而影響CYP6CY3對(duì)煙堿和新煙堿類農(nóng)藥的代謝(Bassetal.,2013)。Pangetal.(2014)研究還發(fā)現(xiàn),褐飛虱NilaparvatalugensCYP6AY1基因啟動(dòng)子區(qū)存在豐富的多態(tài)性,這些多態(tài)性位點(diǎn)與CYP6AY1介導(dǎo)的褐飛虱對(duì)吡蟲啉和噻嗪酮高水平抗性相關(guān)。CYP6ER1基因的高表達(dá)導(dǎo)致褐飛虱對(duì)吡蟲啉(Imidacloprid)的高水平抗性(Pangetal.,2016),Liangetal.(2018)研究發(fā)現(xiàn),褐飛虱CYP6ER1基因一個(gè)選擇性剪接體A2的啟動(dòng)子區(qū)存在多態(tài)性,抗性個(gè)體中的4個(gè)SNPs提高了該基因的啟動(dòng)子活性,并且可能調(diào)控該基因的表達(dá)水平。CYP6B7基因在棉鈴蟲Helicoverpaarmigera對(duì)擬除蟲菊酯農(nóng)藥的代謝抗性中發(fā)揮作用,該基因能夠被外源化合物誘導(dǎo)表達(dá),Xuetal.(2018)分析了調(diào)控CYP6B7啟動(dòng)子區(qū)調(diào)控該基因表達(dá)的順式作用因子,這些因子的變化影響CYP6B7的表達(dá)水平,并可能與棉鈴蟲的抗藥性及外源物質(zhì)代謝的相關(guān)。Lietal.(2018)研究發(fā)現(xiàn),CYP6BG1的上調(diào)表達(dá)與小菜蛾P(guān)lutellaxylostella對(duì)氯蟲苯甲酰胺(Chlorantraniliprole)的抗性相關(guān),通過對(duì)抗性品系和敏感品系的比較分析顯示,該蟲CYP6BG1基因啟動(dòng)子區(qū)存在多態(tài)性,啟動(dòng)子變異的順式調(diào)控影響了該基因的表達(dá)水平(Lietal.,2019)。

反式作用因子調(diào)控昆蟲P450表達(dá),進(jìn)而導(dǎo)致昆蟲高水平代謝抗性的報(bào)道較少。擬除蟲菊酯抗性品系的家蠅CYP6D1基因的表達(dá)除了受順式因子調(diào)控外,也可能受反式作用因子的影響(Liuetal.,1998;Scottetal.,1999)。最新的研究顯示,轉(zhuǎn)錄因子CncC/Maf能夠調(diào)控P450基因的表達(dá),導(dǎo)致馬鈴薯甲蟲Leptinotarsadecemlineata、斜紋夜蛾Spodopteralitura、甜菜夜蛾Spodopteraexigua等害蟲分別對(duì)不同農(nóng)藥的抗性(Gaddelapatietal.,2018;Huetal.,2020;Luetal.,2020)。除了啟動(dòng)子區(qū)的順式作用調(diào)控外,轉(zhuǎn)錄因子FTZ-F1的反式調(diào)控作用也影響小菜蛾CYP6BG1基因表達(dá),二者共同介導(dǎo)該蟲對(duì)氯蟲苯甲酰胺的抗性(Lietal.,2019)。轉(zhuǎn)錄因子CREB(cAMP-response element binding protein)能夠直接被蛋白激酶基因MAPK(Mitogen-activated protein kinase)激活,從而介導(dǎo)P450CYP6CM1基因的高表達(dá),導(dǎo)致煙粉虱Bemisiatabaci對(duì)新煙堿類農(nóng)藥的抗性(Yangetal.,2020)。

piRNA(Piwi-interacting RNA)或miRNA(microRNA)介導(dǎo)的抗藥性相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)控也有報(bào)道,靶向抗藥性相關(guān)基因的piRNA或miRNA負(fù)調(diào)控這些基因的表達(dá)(Yeetal.,2017)。piRNA-3878靶向CYP307B1基因,影響淡色庫蚊Culexpipienspallens對(duì)溴氰菊酯的抗性(Yeetal.,2017)。有研究發(fā)現(xiàn),miR-2b-3p和miR-14b-5p在小菜蛾對(duì)氯蟲苯甲酰胺的抗性發(fā)展具有重要作用,注射miR-2b-3p和miR-14b-5p 模擬物能顯著抑制CYP9F2和CYP307a1基因的表達(dá)水平,食物中添加miR-2b-3p模擬物能顯著提高抗性小菜蛾幼蟲經(jīng)溴氰菊酯處理后的死亡率(Etebarietal.,2018)。在果蠅的抗DDT種群中,CYP6G1和CYP6G2基因高水平表達(dá),miR-310s能和這兩個(gè)P450基因3′-UTR結(jié)合并調(diào)控這兩個(gè)基因的表達(dá)(Seongetal.,2020)。miR-285靶向淡色庫蚊CYP6N23基因,通過調(diào)控該基因的表達(dá)水平影響淡色庫蚊對(duì)溴氰菊酯的抗性,RNAi干擾CYP6N23以及注射miR-285L模擬物后,該基因的表達(dá)水平顯著降低且該蟲對(duì)溴氰菊酯敏感性上升(Tianetal.,2016)。

P450編碼區(qū)的變異導(dǎo)致昆蟲抗藥性的報(bào)道較少,在牧草盲蝽Lyguspratensis抗芐氯菊酯的品系中,CYP6X1編碼區(qū)存在大量的核苷酸變異,但是這些變異與抗藥性的關(guān)系有待進(jìn)一步研究(Zhuetal.,2003)。在褐飛虱的吡蟲啉抗性品系中,CYP6ER1編碼區(qū)也發(fā)現(xiàn)突變,這些突變是導(dǎo)致褐飛虱對(duì)吡蟲啉的抗性的重要原因(Zimmeretal.,2018)。研究發(fā)現(xiàn),棉鈴蟲擬除蟲菊酯抗性品系中,存在一個(gè)由CYP337B1和CYP337B2嵌合而成的新的CYP337B3基因,嵌合基因CYP337B3的出現(xiàn)可能是導(dǎo)致棉鈴蟲對(duì)氰戊菊酯(Fenvalerate)和氯氰菊酯(Cypermethrin)等擬除蟲菊酯農(nóng)藥產(chǎn)生抗性的重要原因,不同棉鈴蟲地理種群CYP337B3基因存在差異,這種嵌合P450基因可能是P450介導(dǎo)害蟲抗性的一種新機(jī)制(Duriganetal.,2017;Choietal.,2018)。除了上述機(jī)制之外,P450基因擴(kuò)增(Gene duplication)導(dǎo)致的高水平代謝抗性在桃蚜和褐飛虱等昆蟲中有報(bào)道,桃蚜和褐飛虱通過P450基因拷貝數(shù)的增加來產(chǎn)生對(duì)吡蟲啉等新煙堿類農(nóng)藥的高水平抗性(Puineanetal.,2010;Zimmeretal.,2018)。

2 P450基因介導(dǎo)的昆蟲抗藥性進(jìn)化可塑性

同種昆蟲不同種群對(duì)相同的農(nóng)藥產(chǎn)生抗藥性時(shí),導(dǎo)致抗性產(chǎn)生的P450基因不同,而且多個(gè)P450基因在不同種群中存在顯著不同的上調(diào)表達(dá);同一昆蟲品系在某種農(nóng)藥的抗性選擇壓力下,影響抗性的P450基因的種類和表達(dá)特性,會(huì)隨著持續(xù)的農(nóng)藥選擇而發(fā)生變化;同種昆蟲的不同品系對(duì)某種農(nóng)藥產(chǎn)生相似的抗性倍數(shù)時(shí),不同P450基因的過量表達(dá)水平存在明顯差異;這些現(xiàn)象被稱為細(xì)胞色素P450介導(dǎo)抗藥性的進(jìn)化可塑性(Evolution plasticity)(Scott and Kasai,2004;Festucci-Busellietal.,2005;邱星輝等,2008;Gaoetal.,2012)。Scott and Kasai(2004)分析指出,影響P450基因過量表達(dá)的調(diào)控因子的差異,可能是造成其介導(dǎo)的抗性可塑性的重要原因之一。

Scott and Kasai(2004)研究顯示,采自美國(guó)的不同家蠅抗芐氯菊酯品系中,介導(dǎo)抗性產(chǎn)生的P450基因明顯不同,在LPR抗性品系中,位于染色體1和染色體2的CYP6D1過量表達(dá)是抗性產(chǎn)生的主要原因,但CYP6D1在YPER抗性品系中表達(dá)量上調(diào)不明顯,而且YPER抗性品系的染色體上不存在CYP6D1基因位點(diǎn),分析認(rèn)為,LPR品系和YPER品系通過不同的P450基因的變化來介導(dǎo)其對(duì)抗芐氯菊酯的抗性。Gaoetal.(2012)對(duì)6個(gè)采自中國(guó)的抗性家蠅芐氯菊酯抗性品系的比較研究表明,8個(gè)P450基因(CYP6A5v1、CYP6A5v2、CYP6A36、CYP6A40、CYP6D1、CYP6D3、CYP6D8和CYP6G4)在6個(gè)不同品系中具有明顯不同的上調(diào)表達(dá)特性;在抗性倍數(shù)相似的品系中,P450基因過量表達(dá)特點(diǎn)亦不同;而抗性倍數(shù)差別較大的品系中,某些P450基因上調(diào)表達(dá)的倍數(shù)卻相似,該研究組認(rèn)為,P450基因的進(jìn)化可塑性介導(dǎo)了這些家蠅種群對(duì)擬芐氯菊酯的抗性,在各品系上調(diào)表達(dá)的P450基因中,CYP6G4和CYP6D1起主導(dǎo)作用。

在黑腹果蠅相關(guān)研究中,CYP6A2、CYP6A8、CYP4E2、CYP6G1、CYP6G1和CYP612D1在不同DDT抗性品系中具有不同過量表達(dá)特性(Festucci-Busellietal.,2005),其中CYP6G1過量表達(dá)是介導(dǎo)黑腹果蠅DDT的主要因子,而且該基因過量表達(dá)導(dǎo)致的DDT抗性在世界各地不同種群中廣泛存在(Schmidtetal.,2010;Morraetal.,2010),然而,過量表達(dá)CYP6G1的黑腹果蠅田間品系在實(shí)驗(yàn)室DDT的選擇壓力下,其CYP12D1和CYP6A2的表達(dá)量顯著上調(diào),而將CYP6G1敲除后,在實(shí)驗(yàn)室相同的DDT選擇壓力下,CYP6A8表達(dá)量顯著上調(diào)(Le Goffetal.,2003),可見,在DDT的選擇壓力下,黑腹果蠅對(duì)的P450基因具有復(fù)雜的進(jìn)化可塑性。

在灰飛虱Laodelphaxstriatellus溴氰菊酯抗性品系中,4個(gè)P450基因(CYP353D1v2、CYP6FU1、CYP6AY3v2和CYP439A1v3)過量表達(dá),而且不同基因過量表達(dá)的水平不同,體外表達(dá)的CYP6FU1和CYP6AY3v2皆能代謝溴氰菊酯(Mianetal.,2019)。在世界不同地方,褐飛虱的田間種群都通過CYP6ER1的過量表達(dá)產(chǎn)生對(duì)吡蟲啉的高水平抗性(Zimmeretal.,2018),但是不同地理種群CYP6ER1可變性剪接體不同,且CYP6ER1過量表達(dá)的調(diào)控機(jī)制存在差異,采自泰國(guó)、越南、印度尼西亞和印度的田間種群發(fā)現(xiàn)CYP6ER1在抗性個(gè)體中發(fā)生編碼區(qū)突變,且具有這些突變的CYP6ER1可變性剪接體拷貝數(shù)是敏感個(gè)體的2倍(Zimmeretal.,2018);采自中國(guó)的褐飛虱吡蟲啉抗性品系在CYP6ER1啟動(dòng)子區(qū)存在大量SNPs,這些SNPs影響CYP6ER1啟動(dòng)子活性(Pangetal.,2014),由此可見,不同的褐飛虱地理種群通過同一個(gè)P450基因的高表達(dá)產(chǎn)生對(duì)吡蟲啉產(chǎn)生抗性,但是存在不同的調(diào)控機(jī)制。與同一個(gè)敏感品系相比,在棉蚜的噻蟲嗪抗性品系中,CYP6CY14、CYP6DC1、CYP6CZ1、CYP6DD1、CYP6CY9、CYP6CY13-2、CYP6CY5、CYP6CY18、CYP6CY12等9個(gè)P450基因表達(dá)量顯著上調(diào),而桃蚜的螺蟲乙酯(spirotetramat)抗性品系中CYP6CY14、CYP6CY4、CYP6DC1、CYP6CY18等4個(gè)基因表達(dá)量顯著提高,兩個(gè)不同抗性品系中有3個(gè)相同的P450基因都上調(diào)表達(dá),但是上調(diào)表達(dá)的模式明顯不同(Schlenkeetal.,2004;Wuetal.,2018)。

3 CPR的基本結(jié)構(gòu)和功能

細(xì)胞色素P450可分為微粒體型和線粒體型, 真核生物代謝外源物質(zhì)的P450主要是依賴于CPR的微粒體P450(以下簡(jiǎn)稱P450),所有微粒體型P450均需要依靠CPR獲得電子進(jìn)而產(chǎn)生催化活性(Pandey and Fluck,2013;Feyereisen,2015)。CPR和P450皆屬于膜結(jié)合蛋白,錨定于細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。CPR存在兩個(gè)功能區(qū)域,即N端疏水膜結(jié)合區(qū)和C端親水催化活性區(qū)。N端疏水膜結(jié)合區(qū)錨定在生物膜上,其作用是維持正確的蛋白空間構(gòu)象,保證細(xì)胞色素P450還原酶與細(xì)胞色素P450之間的電子傳遞能夠順利進(jìn)行。C端親水催化活性區(qū)是細(xì)胞色素P450還原酶發(fā)揮催化活性的主要部分,起電子傳遞作用。催化活性區(qū)包含三個(gè)結(jié)構(gòu)域,分別為FMN(黃素單核苷酸,Flavin mononucleotide)結(jié)合域、FAD(黃素腺嘌呤二核苷酸,Flavin adenine dinucleotide)和NADPH(還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,Reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)結(jié)合域,FMN與FAD之間的連接域則保證兩個(gè)結(jié)合域之間空間定位一致,保證電子傳遞的暢通。CPR從NADPH處獲得電子,經(jīng)FAD傳遞給FMN并將FMN還原,還原性FMN將電子傳遞給P450的血紅素(Heme)結(jié)合位點(diǎn),從而還原P450且激活分子氧,進(jìn)而引起底物的羥化反應(yīng)。

不同動(dòng)物的CPR蛋白大小存在一定差異,一般大小約為80 kDa,大約680個(gè)氨基酸組成(Pandey and Fluck,2013),例如,禾谷縊管蚜Rhopalosiphumpadi的CPR基因DNA全長(zhǎng)16 000 bp,含有14個(gè)外顯子,ORF(開放閱讀框)全長(zhǎng)2 046 bp,編碼681個(gè)氨基酸,大小為77.11 kDa(Wangetal.,2016)。

4 CPR基因在害蟲抗藥性中的作用

CPR變異介導(dǎo)昆蟲的抗藥性是一種新的抗藥性機(jī)制,目前昆蟲CPR與農(nóng)藥代謝和抗藥性關(guān)系的研究較少。CPR與抗藥性相關(guān)在幾種昆蟲中已有報(bào)道,但是具體機(jī)制還缺乏研究。人CPR遺傳多態(tài)性影響P450對(duì)藥物代謝的相關(guān)研究廣泛而深入(Hartetal.,2008;Liangetal.,2017),這對(duì)昆蟲CPR介導(dǎo)抗藥性的機(jī)制研究具有很好的借鑒作用。

有研究發(fā)現(xiàn),微小按蚊AnophelesminimusCPR的L86和L219兩個(gè)位點(diǎn)在其與FMN結(jié)合中具有重要作用,體外定點(diǎn)突變L86F和L219F能提高微小按蚊CPR的FMN結(jié)合能力和CYP6AA3對(duì)溴氰菊酯的代謝能力,突變的CPR酶與FAD結(jié)合力較弱。進(jìn)一步地定點(diǎn)突變分析顯示,L86F/L219F/C427R三突變可以較好結(jié)合FAD,而L86F/L219F/W678R和L86F/L219F/W678R三突變的CPP酶對(duì)FAD的結(jié)合能力沒有影響,說明不同的氨基酸位點(diǎn)在底物結(jié)合中的作用不同(Sarapusitetal.,2010;Sarapusitetal.,2013)。通過岡比亞按蚊Anophelesgambiae的CPR進(jìn)行體外表達(dá)和生化特性分析發(fā)現(xiàn),岡比亞按蚊的CPR和人的CPR對(duì)小分子化合物有不同的結(jié)合特性,分析認(rèn)為,CPR可以作為開發(fā)安全農(nóng)藥的潛在靶標(biāo)(Lianetal.,2011)。注射CPR dsRNA可以顯著增加臭蟲Cimexlectularius抗性品系對(duì)溴氰菊酯的敏感性,但是對(duì)敏感品系的影響不顯著(Zhuetal.,2012);飼喂CPR dsRNA可以顯著提高灰飛虱抗性品系對(duì)噻嗪酮的敏感性,但是對(duì)敏感品系無顯著影響,說明CPR在臭蟲和灰飛虱的抗藥性中發(fā)揮作用(Zhangetal.,2016)。Huangetal.(2015)研究發(fā)現(xiàn),CPR基因在橘小實(shí)蠅Bactroceradorsalis馬拉硫磷(Malathion)抗性品系和敏感品系中表達(dá)水平相似,在注射CPR dsRNA后顯著提高成蟲對(duì)馬拉硫磷的敏感性。朱砂葉螨Tetranychuscinnabarinus的CPR在甲氰菊酯抗性品系中顯著上調(diào)表達(dá),飼喂CPR dsRNA可顯著降低朱砂葉螨P450總酶活力,且顯著提高抗性品系對(duì)甲氰菊酯的敏感性,而對(duì)敏感品系沒有顯著影響(Shietal.,2015)。注射CPR dsRNA后,可以顯著提高岡比亞按蚊、棉鈴蟲、飛蝗Locustamigratoria、柑橘蚜Toxopteracitricidus、柑橘木虱Diaphorinacitri、二斑葉螨Tetranychusurticae等對(duì)農(nóng)藥的敏感性(Lycettetal.,2006;Tangetal.,2012;Zhangetal.,2017;Jingetal.,2018;Adesanyaetal.,2020;Yuanetal.,2021)。

5 CPR基因遺傳多態(tài)性對(duì)P450代謝能力的影響

在環(huán)境的選擇壓力下,同一群體一些個(gè)體在某些基因位點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生突變,如果某個(gè)位點(diǎn)突變?cè)谌后w中超過1%,就稱為遺傳多態(tài)性(Genetic polymorphisms)(Hedrick,2011)。CPR在人體中與類固醇和藥物代謝關(guān)系緊密,CPR遺傳多態(tài)性顯著影響人的藥物代謝,不同種族的人群具有不同的CPR遺傳多態(tài)性,因此不同種族人群對(duì)相同藥物的代謝能力不同,其原因是這些CPR遺傳多態(tài)性影響了P450的代謝能力,相關(guān)研究對(duì)指導(dǎo)藥物種類和劑量的選擇具有重要意義。

同一個(gè)CPR突變對(duì)不同的P450代謝能力的影響不同,其影響作用甚至相反;不同的CPR突變對(duì)同一個(gè)P450代謝能力的影響也不同。Huangetal.(2008)研究發(fā)現(xiàn),842個(gè)健康美國(guó)人的CPR在32個(gè)位點(diǎn)存在氨基酸多態(tài)性,CPR的A503V突變?cè)诿绹?guó)華人中的突變率為36.7%,而在美國(guó)非洲裔中的突變率只有19.1%;對(duì)這32個(gè)突變位點(diǎn)進(jìn)一步的體外表達(dá)分析發(fā)現(xiàn),不同突變位點(diǎn)對(duì)兩個(gè)P450基因CYP1A2和CYP2C19代謝能力的影響不同;A287P和R457H突變皆使CYP1A2和CYP2C19失去代謝能力;與野生型CPR相比,CPR的A503V突變使CYP1A2活力降低15%,但使CYP2C19代謝能力提高13%(Huangetal.,2008);而Q153R突變的CPR使CYP1A2和CYP2C19活力分別提高到野生型的144%和284%;Q153R、G213E、P452L、A503V、G504R突變對(duì)CYP1A2和CYP2C19活力影響差異極顯著(Agrawaletal.,2008)。另外研究則發(fā)現(xiàn),人CPR基因的A287P突變使CYP17A2的活性降低80%(Huangetal.,2005),A287P突變使CYP21A2的活力降低24%(Dhiretal.,2007),A503V突變顯著提高了CYP2C9.1、CYP2C9.2和CYP2C9.3的代謝能力(Subramanianetal.,2012),因此,同一個(gè)CPR多態(tài)性位點(diǎn)對(duì)不同的P450活力影響不同,特定的CPR突變對(duì)某個(gè)P450基因代謝能力的影響必須用這個(gè)P450基因做具體分析,不能用其他的P450基因代替(Agrawaletal.,2008;Subramanianetal.,2012)。

CPR遺傳多態(tài)性和突變對(duì)P450活力影響的機(jī)制也不相同。人的CPR基因R457H、Y459H和V492E突變位于其FAD結(jié)合域,因而影響了CPP與FAD的結(jié)合,從而導(dǎo)致CYP17A1和CYP19A1兩個(gè)P450完全失去代謝能力(Kranendonketal.,2008;Pandey and Fluck,2013);而CPR的Q153R、M263V突變靠近其FMN結(jié)合域,因而使CPR的細(xì)胞色素c的還原活性降低40%～90%(Huangetal.,2005);G539R突變位于CPR的NADPH結(jié)合域,使CPR的細(xì)胞色素c的還原活性降低91%(Huangetal.,2005)。A287P位于FMN與FAD之間的連接域,該CPR突變的影響因P450代謝底物的不同而不同,例如,其顯著影響CYP17A1代謝17,20碳鏈裂解酶(17,20 lyase)的活性,對(duì)CYP17A1代謝17α-羥化酶的影響較小(17α-hydroxylase),對(duì)CYP19A1和CYP21的底物代謝能力沒有影響(Dhiretal.,2007)。

此外,CPR的突變可以導(dǎo)致一種人類常染色體隱性遺傳病,即P450還原酶缺陷癥(P450 oxidoreductase deficiency),該疾病的原因是CPR基因突變影響了人體某些P450(CYP17和CYP21)對(duì)類固醇的代謝能力,而這些P450基因本身并沒有發(fā)生變化,目前已經(jīng)報(bào)道了CPR的A287P、R457H、V492E、C569Y和V608F等約20個(gè)突變位點(diǎn)能引起P450還原酶缺陷癥,且不同種族患者的CPR突變和遺傳多樣特征不同(Hartetal.,2008;Liangetal.,2017)。由于CPR的突變與人類藥物代謝及P450功能缺陷疾病密切相關(guān),很多CPR突變已經(jīng)成為分子標(biāo)記,用于評(píng)判不同種族人群對(duì)藥物的代謝能力及P450還原酶缺陷癥的發(fā)病可能性(Hartetal.,2008)。

如上所述,抗藥性昆蟲CPR的表達(dá)量的變化及其CPR編碼區(qū)突變?cè)诙喾N昆蟲中報(bào)道,但是CRP影響昆蟲抗藥性的機(jī)制亟待闡明,在下一步的研究中,可以借鑒人和高等動(dòng)物中相關(guān)的研究成果,深入闡述這一害蟲抗藥性新機(jī)制。

6 總結(jié)與展望

害蟲抗藥性機(jī)制非常復(fù)雜,常見的抗性類型有行為抗性、表皮穿透性降低、代謝抗性與靶標(biāo)抗性等,但害蟲抗藥性機(jī)理遠(yuǎn)未闡明,隨著相關(guān)研究的深入,抗藥性新機(jī)制不斷被發(fā)現(xiàn)。P450酶系介導(dǎo)的昆蟲代謝抗性是昆蟲抗藥性的最重要類型,一直受到廣泛的關(guān)注。目前關(guān)于P450酶系在害蟲抗藥性中的研究主要集中在P450基因的表達(dá)調(diào)控機(jī)制和P450基因表達(dá)量的變化等方面。雖然CPR基因與害蟲抗藥性相關(guān)在多種昆蟲已經(jīng)發(fā)現(xiàn),但是其具體機(jī)制尚待深入闡明。深入研究CPR基因變異對(duì)P450介導(dǎo)的害蟲抗藥性的影響,不僅可以闡明P450酶系介導(dǎo)昆蟲抗藥性的新機(jī)制,而且對(duì)于建立基于CPR突變的抗性監(jiān)測(cè)和抗性預(yù)警的分子標(biāo)記以及害蟲抗藥性治理具有重要意義。