FoxO基因在昆蟲蛻皮中的功能研究.pdf

1、研究背景、存在的科學(xué)問題及研究意義
　　 昆蟲是地球上種類最多、數(shù)量最大的類群，因而對人類的生存活動有著巨大的影響。現(xiàn)在對昆蟲的研究，并不只局限于對害蟲的防治，而更多的是以昆蟲為模型來研究多種生理現(xiàn)象背后的機(jī)理。昆蟲的表皮是昆蟲進(jìn)化過程中產(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)。它覆蓋了昆蟲所有組織，能防止昆蟲組織脫水，抵御天敵，同時使昆蟲運(yùn)動成為可能。由于

2、表皮不具有延展性，隨著昆蟲個體的生長變大，昆蟲的生長發(fā)育過程必須要經(jīng)過多次蛻皮，包括卵孵化、幼蟲之間的蛻皮、幼蟲到蛹的蛻皮和蛹到成蟲的蛻皮。
　　 昆蟲的蛻皮是一個復(fù)雜的生理過程，在蛋白酶作用下，昆蟲在蛻皮過程中發(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。在這個過程中，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通過與20E信號通路的拮抗作用協(xié)調(diào)控制昆蟲生長發(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)控昆蟲生長發(fā)育。其中，胰島素調(diào)節(jié)生長速度，而20E決定了生長持續(xù)時間，這是決定昆蟲體重的兩種關(guān)鍵因素，從而決定了昆蟲變態(tài)的臨界體重。果蠅胰島素樣肽(ILP)缺失突變體的生長延遲并且體重降低，暗示了胰島素對昆蟲發(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。營養(yǎng)充分時，胰島素通過其受體使FoxO磷酸化并留在細(xì)胞之內(nèi)，而營養(yǎng)缺失時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FoxO的抑制。FoxO可以與至少700種啟動子區(qū)結(jié)合，參與調(diào)控了多種生理過程如生長，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)。高等動物中FoxO蛋白是腫瘤抑制子，主要通過促進(jìn)一系列基因的轉(zhuǎn)錄來實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)oxO的降解會導(dǎo)致癌細(xì)胞的增殖和存活(HuangandTindall2011)。過表達(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通過調(diào)控哪些基因的

7、表達(dá)來影響昆蟲蛻皮的呢？
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，F(xiàn)oxO在昆蟲蛻皮變態(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)致棉鈴蟲蛻皮異?，F(xiàn)象的發(fā)生。通過對FoxO缺失導(dǎo)致的昆蟲異常蛻皮的機(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)果豐富了昆蟲蛻皮的分子機(jī)理，完善對昆蟲蛻皮機(jī)制的掌握，同時豐富了FoxO的功能研究。另外，昆蟲表皮結(jié)構(gòu)具有比較高的保守性，

8、對其他昆蟲蛻皮有借鑒意義。
　　 研究方法與成果和結(jié)論
　　 本文以棉鈴蟲為實(shí)驗(yàn)動物，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室建立的表皮細(xì)胞系平臺和蟲體實(shí)驗(yàn)平臺，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在昆蟲生長發(fā)育中所發(fā)揮的重要作用，取得如下結(jié)果和結(jié)論:
　　 FoxO通過影響CPA的表達(dá)參與昆蟲蛻皮。FoxO在各組織的蛻皮期和變態(tài)期高表達(dá)。蟲體激素刺激顯示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時使FoxO

9、發(fā)生向核的轉(zhuǎn)移。干擾FoxO會導(dǎo)致昆蟲蛻皮異常（異常率達(dá)62％），說明FoxO對昆蟲蛻皮是必須的。進(jìn)一步檢測干擾后的基因變化，發(fā)現(xiàn)蟲體干擾FoxO會導(dǎo)致Br-Z2、CPA表達(dá)受阻。這些結(jié)果表明，F(xiàn)oxO參與了昆蟲的蛻皮行為，是通過影響皮層融離來實(shí)現(xiàn)的。
　　 創(chuàng)新點(diǎn)及意義
　　 證明了棉鈴蟲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，從而對抗ins