FoxO基因在昆蟲(chóng)蛻皮中的功能研究.pdf

1、研究背景、存在的科學(xué)問(wèn)題及研究意義
　　 昆蟲(chóng)是地球上種類最多、數(shù)量最大的類群，因而對(duì)人類的生存活動(dòng)有著巨大的影響?，F(xiàn)在對(duì)昆蟲(chóng)的研究，并不只局限于對(duì)害蟲(chóng)的防治，而更多的是以昆蟲(chóng)為模型來(lái)研究多種生理現(xiàn)象背后的機(jī)理。昆蟲(chóng)的表皮是昆蟲(chóng)進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生的與生存息息相關(guān)的天然物理屏障，由幾丁質(zhì)、蛋白和脂質(zhì)組成(Andersen，Hojrupetal.1995)。它覆蓋了昆蟲(chóng)所有組織，能防止昆蟲(chóng)組織脫水，抵御天敵，同時(shí)使昆蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)成為可能。由于

2、表皮不具有延展性，隨著昆蟲(chóng)個(gè)體的生長(zhǎng)變大，昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程必須要經(jīng)過(guò)多次蛻皮，包括卵孵化、幼蟲(chóng)之間的蛻皮、幼蟲(chóng)到蛹的蛻皮和蛹到成蟲(chóng)的蛻皮。
　　 昆蟲(chóng)的蛻皮是一個(gè)復(fù)雜的生理過(guò)程，在蛋白酶作用下，昆蟲(chóng)在蛻皮過(guò)程中發(fā)生皮層融離，舊表皮消化吸收，為進(jìn)一步形成新表皮做準(zhǔn)備。在這個(gè)過(guò)程中，羧肽酶和氨肽酶起著關(guān)鍵作用(SamuelsandPaterson1995)。羧肽酶從羰基端水解肽鏈，而氨基酶從氨基端水解肽鏈(Willis2010)。

3、蛻皮過(guò)程主要是由蛻皮激素20E和保幼激素JH調(diào)控的，20E起始蛻皮發(fā)生，JH則決定了蛻皮的性質(zhì)(Burdette，1962;Riddiford，1993)。20E與核受體EcR結(jié)合后與USP異二聚化，形成20E-EcR/USP受體復(fù)合物，受體復(fù)合物與20E響應(yīng)元件結(jié)合后招募共作用因子，指導(dǎo)下游效應(yīng)基因的表達(dá)。JH通過(guò)與20E信號(hào)通路的拮抗作用協(xié)調(diào)控制昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育。
　　 除了20E和JH外，有實(shí)驗(yàn)揭示了insulin與20E的調(diào)

4、作用共同調(diào)控昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育。其中，胰島素調(diào)節(jié)生長(zhǎng)速度，而20E決定了生長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間，這是決定昆蟲(chóng)體重的兩種關(guān)鍵因素，從而決定了昆蟲(chóng)變態(tài)的臨界體重。果蠅胰島素樣肽(ILP)缺失突變體的生長(zhǎng)延遲并且體重降低，暗示了胰島素對(duì)昆蟲(chóng)發(fā)育的重要性(Broughton，Piperetal.2005)。FoxO(ForkheadboxO)是一種胰島素的重要靶標(biāo)蛋白。營(yíng)養(yǎng)充分時(shí)，胰島素通過(guò)其受體使FoxO磷酸化并留在細(xì)胞之內(nèi)，而營(yíng)養(yǎng)缺失時(shí)FoxO被激活并轉(zhuǎn)移

5、至細(xì)胞核與響應(yīng)元件結(jié)合并調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄(Tower2011)。20E能有效解除胰島素對(duì)FoxO的抑制。FoxO可以與至少700種啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，參與調(diào)控了多種生理過(guò)程如生長(zhǎng)，細(xì)胞分化，細(xì)胞周期，抗壓，腫瘤抑制，代謝和凋亡等(Alic，Andrewsetal.2011)。高等動(dòng)物中FoxO蛋白是腫瘤抑制子，主要通過(guò)促進(jìn)一系列基因的轉(zhuǎn)錄來(lái)實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)oxO的降解會(huì)導(dǎo)致癌細(xì)胞的增殖和存活(HuangandTindall2011)。過(guò)表達(dá)FoxO

6、能上調(diào)脂肪體中dilp6（insulin-likepeptide6，一類可被饑餓激活的肽）的mRNA水平，從而延長(zhǎng)果蠅的壽命(Bai，Kangetal.2012)。FoxO在果蠅的先天免疫中起關(guān)鍵作用，它能誘導(dǎo)上調(diào)果蠅dPrxV（PeroxiredoxinV,過(guò)氧化物氧還酶）的表達(dá)水平從而抵御腸道感染(Ahn，Leeetal.2012)。干擾了FoxO的棉鈴蟲(chóng)的不能正常蛻皮。FoxO能調(diào)控多種基因的表達(dá)，那么，F(xiàn)oxO通過(guò)調(diào)控哪些基因的

7、表達(dá)來(lái)影響昆蟲(chóng)蛻皮的呢？
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)oxO在昆蟲(chóng)蛻皮變態(tài)期表達(dá)水平較高。20E能夠上調(diào)FoxO的表達(dá)，干擾FoxO導(dǎo)致棉鈴蟲(chóng)蛻皮異?，F(xiàn)象的發(fā)生。通過(guò)對(duì)FoxO缺失導(dǎo)致的昆蟲(chóng)異常蛻皮的機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)FoxO可以調(diào)控CPA的表達(dá)，從而促進(jìn)皮層融離。因此，F(xiàn)oxO在昆蟲(chóng)蛻皮期的皮層融離起關(guān)鍵作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果豐富了昆蟲(chóng)蛻皮的分子機(jī)理，完善對(duì)昆蟲(chóng)蛻皮機(jī)制的掌握，同時(shí)豐富了FoxO的功能研究。另外，昆蟲(chóng)表皮結(jié)構(gòu)具有比較高的保守性，

8、對(duì)其他昆蟲(chóng)蛻皮有借鑒意義。
　　 研究方法與成果和結(jié)論
　　 本文以棉鈴蟲(chóng)為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室建立的表皮細(xì)胞系平臺(tái)和蟲(chóng)體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，運(yùn)用分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等技術(shù)，研究了FoxO在昆蟲(chóng)生長(zhǎng)發(fā)育中所發(fā)揮的重要作用，取得如下結(jié)果和結(jié)論:
　　 FoxO通過(guò)影響CPA的表達(dá)參與昆蟲(chóng)蛻皮。FoxO在各組織的蛻皮期和變態(tài)期高表達(dá)。蟲(chóng)體激素刺激顯示20E能夠顯著上調(diào)FoxO的表達(dá)，細(xì)胞系激素刺激顯示20E在6h時(shí)使FoxO

9、發(fā)生向核的轉(zhuǎn)移。干擾FoxO會(huì)導(dǎo)致昆蟲(chóng)蛻皮異常（異常率達(dá)62％），說(shuō)明FoxO對(duì)昆蟲(chóng)蛻皮是必須的。進(jìn)一步檢測(cè)干擾后的基因變化，發(fā)現(xiàn)蟲(chóng)體干擾FoxO會(huì)導(dǎo)致Br-Z2、CPA表達(dá)受阻。這些結(jié)果表明，F(xiàn)oxO參與了昆蟲(chóng)的蛻皮行為，是通過(guò)影響皮層融離來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
　　 創(chuàng)新點(diǎn)及意義
　　 證明了棉鈴蟲(chóng)FoxO在蛻皮期和變態(tài)決定期高表達(dá)，闡明了FoxO在蛻皮期具有促進(jìn)皮層融離的功能，20E能夠誘導(dǎo)FoxO去磷酸化入核，從而對(duì)抗ins