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昆蟲熱激蛋白90的研究進(jìn)展

2014-04-08 23:45張珂翁群芳付昊昊
生物技術(shù)通報(bào) 2014年2期
關(guān)鍵詞:伴侶結(jié)構(gòu)域昆蟲

張珂 翁群芳 付昊昊

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 天然源農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642)

昆蟲熱激蛋白90的研究進(jìn)展

張珂 翁群芳 付昊昊

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 天然源農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642)

熱激蛋白90(Heat shock protein 90,Hsp90)是細(xì)胞內(nèi)最為廣泛的分子伴侶之一,間接調(diào)控細(xì)胞內(nèi)多條與細(xì)胞增殖、分化、存活、滯育以及與凋亡相關(guān)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。近年來,對(duì)Hsp90家族成員在分子水平上的認(rèn)識(shí)不斷深入,Hsp90已成為細(xì)胞免疫、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及抗腫瘤研究的前沿課題。昆蟲功能基因組的研究正在世界范圍內(nèi)掀起熱潮,與昆蟲滯育相關(guān)熱激蛋白的研究也不斷深入。對(duì)近年來國內(nèi)外Hsp90的生物學(xué)特性、生物學(xué)功能及其在昆蟲防治中的研究現(xiàn)狀及前景進(jìn)行綜述,以期為害蟲綜合防治的研究提供參考信息。

熱激蛋白90 分子伴侶 滯育 應(yīng)用

熱激蛋白(又稱熱休克蛋白)(Heat shock proteins,Hsps)是生物體遭受不利環(huán)境條件脅迫時(shí)迅速產(chǎn)生的一種抗逆蛋白,可幫助生物機(jī)體度過不利環(huán)境條件[1,2]。Hsp90在分子進(jìn)化中高度保守,參與調(diào)控、維持細(xì)胞內(nèi)多種蛋白的構(gòu)象和功能,使細(xì)胞在脅迫環(huán)境下正常存活[3]。在真菌和動(dòng)物中,Hsp90廣泛介導(dǎo)脅迫信號(hào)的傳遞,參與類固醇激素受體、激酶和轉(zhuǎn)錄因子的折疊,并激活底物,起始脅迫信號(hào)的傳遞[4-7]。

熱激蛋白(Hsps)是一類在進(jìn)化過程中古老且高度保守的細(xì)胞內(nèi)蛋白。1962年,Ritossa[8]將黃猩猩果蠅(Drosophila melanogaster)的培養(yǎng)溫度提高,發(fā)現(xiàn)了熱休克反應(yīng)(Heat shock response,HSR)。然而,直到1974年Tissieres等[9]利用SDS-PAGE才分離到了這些因熱休克反應(yīng)而產(chǎn)生的一組新的蛋白質(zhì),并將這些蛋白質(zhì)命名為熱休克蛋白。Adems等[10]證實(shí)了一切生物細(xì)胞(包括原核細(xì)胞和真核細(xì)胞)受高溫誘導(dǎo)時(shí),都可以合成一類具有相似功能和生活學(xué)活性的蛋白質(zhì)。除高溫誘導(dǎo)外,許多損傷因素(如缺氧、重金屬離子、病毒感染、DNA 損傷和自由基)刺激作用后,都可以導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生熱休克反應(yīng),誘導(dǎo)熱激蛋白的合成[11]。之后又相繼在幾種昆蟲中發(fā)現(xiàn)熱休克反應(yīng)和熱激蛋白。昆蟲熱激蛋白按功能和分子量分為3個(gè)家族:小Hsp家族(sHsps),分子量在20-30 kD之間;Hsp70家族,分子量約70 kD;Hsp90家族,分子量在90 kD左右[12]。自1982年美國冷泉港舉行第一屆Hsps國際會(huì)議后,國際上對(duì)Hsps的研究熱潮逐漸興起。緊跟國際研究熱潮,國內(nèi)對(duì)Hsps的研究始于20世紀(jì)80年代中期,主要集中對(duì)哺乳動(dòng)物(包括人類)、高等植物和昆蟲等Hsps進(jìn)行研究[13,14]。其中對(duì)Hsp70的研究最普遍,而對(duì)昆蟲的Hsp90報(bào)道很有限。

1 HSP90 家族及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 HSP90家族

熱激蛋白90家族,分子量在90 kD左右,包括大腸桿菌胞漿中的HtpG,酵母漿中的Hsp83與Hsc83,果蠅漿中的Hsp83,以及哺乳類胞漿中的Hsp90與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的Gp96等。Hsp90 家族的第一個(gè)成員是在果蠅中發(fā)現(xiàn)的,其分子量為83 kD,所以又稱為Hsp83 家族。Hsp90 家族常見有Hsp90、Gp96 等,該家族基因序列高度保守,真菌、植物、脊椎動(dòng)物以及昆蟲等不同種屬Hsp90 的同源性在61%-79%,可見Hsp90 基因的高度保守性。不同種屬Hsp90 C端最后4個(gè)氨基酸均為Glu-G1u-Val-Asp。

Hsp90是熱激蛋白中的重要成員,常見的有兩種即Hsp90(存在于胞漿中)、Gp96(存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中)。Hsp90在正常狀態(tài)下的機(jī)體內(nèi)就存在,受到外界不利環(huán)境條件刺激時(shí)表達(dá)加強(qiáng);而Gp96在葡萄糖充足時(shí)不表達(dá),只有在機(jī)體大量消耗能量導(dǎo)致葡萄糖匱乏時(shí)才開始表達(dá)。Hsp90蛋白序列的保守性極高,其氨基酸序列由三部分構(gòu)成,即N末端(25 kD),C末端(55 kD)和中間的鉸鏈區(qū)。

在動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)中的Hsp90有2種亞型,Hsp90α和Hsp90β。其中,Hsp90α易受熱誘導(dǎo),而Hsp90β易受有絲分裂誘導(dǎo)。在ATP 協(xié)助下,Hsp90α主要幫助受損蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)、折疊,防止聚集并恢復(fù)其正常構(gòu)象;Hsp90β與類固醇激素利用有關(guān)[15]。Hsp90在原核生物中的功能與真核生物不同,但對(duì)原核生物的生長發(fā)育過程也是必要的[16]。

1.2 HSP90的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

Hsp90二級(jí)結(jié)構(gòu)由α-螺旋和β-折疊組成。對(duì)于細(xì)胞質(zhì)蛋白來說,一般表現(xiàn)出內(nèi)部疏水和外部親水性的特點(diǎn)。Hsp90分子由3個(gè)基本結(jié)構(gòu)域組成。N端為高度保守的 25 kD結(jié)構(gòu)域,具有ATP結(jié)合位點(diǎn),能催化水解ATP[17,18]。C端為分子量為12 kD的結(jié)構(gòu)域[19],具有保守的MEEVD基序[20]。中間結(jié)構(gòu)域的分子量為40 kD,結(jié)構(gòu)不保守,比較多變;中間結(jié)構(gòu)域與靶標(biāo)蛋白的結(jié)合有關(guān),已證實(shí)的如AKt/KB、eNOS等[21,22]。而且,靶標(biāo)蛋白的結(jié)合還能增強(qiáng)Hsp90的ATPase活性[23,24]。

Hsp90的分子特征是25 kD的N端具有一個(gè)靶蛋白的結(jié)合部位P和一個(gè)ATP功能域[17,18],C末端是寡聚化結(jié)構(gòu)域,以二聚體的形式存在,具有鈣調(diào)蛋白結(jié)合位點(diǎn)和多種蛋白的結(jié)合位點(diǎn),如類固醇受體、肌動(dòng)蛋白等[25]。Hsp90的熱激誘導(dǎo)表達(dá)與熱激應(yīng)答元件(HSE)和熱激轉(zhuǎn)錄因子(HSF)密切相關(guān)。正常生理狀態(tài)下,HSF 以無活性的單體形式散布于胞質(zhì)和核質(zhì)中,由Hsp90等多種HSP組成的復(fù)合物可能參與了維持HSF 的單體形式;熱激時(shí),異常蛋白增多,由于Hsp90對(duì)異常蛋白具有較高親和力,因此 Hsp90 與異常蛋白的結(jié)合釋放HSF單體,HSF單體組裝成有活性的三聚體,并獲得了與HSE的結(jié)合能力,繼而激活 RNA 聚合酶II,啟動(dòng)Hsp90轉(zhuǎn)錄;熱激解除后,細(xì)胞內(nèi)游離的Hsp90增多,并與HSF相結(jié)合,使其脫離HSE,最終將 HSF 轉(zhuǎn)變成無活性的單體,關(guān)閉Hsp90的表達(dá)[26]。因此,Hsp90 功能的喪失會(huì)造成細(xì)胞的多種生理缺陷。

另外,真核細(xì)胞HSP90的N端結(jié)構(gòu)域和中間結(jié)構(gòu)域之間有一段荷電區(qū),由大約50個(gè)氨基酸殘基組成[23]。荷電區(qū)對(duì)于Hsp90的功能主要是起到共價(jià)連接、協(xié)助N端結(jié)構(gòu)域和中間結(jié)構(gòu)域的作用,以維持Hsp90的ATP結(jié)合狀態(tài)的構(gòu)象。

2 HSP90的調(diào)控機(jī)理和作用模式

2.1 HSP90基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)調(diào)控

在正常生理狀態(tài)下,細(xì)胞蛋白的折疊并不需要Hsp90 的參與,脅迫條件下Hsp90可以促使損傷蛋白的修復(fù)。熱激逆境會(huì)導(dǎo)致包括Hsp90在內(nèi)的很多熱激蛋白基因大量瞬時(shí)表達(dá),這種表達(dá)受熱激因子(Heat shock factor,HSF)的調(diào)控。在熱激蛋白基因啟動(dòng)子上有熱激元件(Heat shock element,HSE),為HSF結(jié)合位點(diǎn)。在正常狀態(tài)下,HSF 以單體和Hsp90二聚體相結(jié)合;在脅迫環(huán)境下,熱激蛋白與HSF分離去處理變形蛋白,激活的HSF結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,轉(zhuǎn)化為三聚體形式緊密結(jié)合于HSE元件上,從而啟動(dòng)誘導(dǎo)熱激蛋白基因的轉(zhuǎn)錄[25,27]。不僅熱激能誘導(dǎo)HSF的表達(dá),其他如氧化、重金屬和病蟲害等許多逆境都能激活HSF的轉(zhuǎn)錄,從而進(jìn)一步調(diào)控?zé)峒さ鞍椎谋磉_(dá)[28]。

到目前為止,已經(jīng)知道40種左右蛋白的空間結(jié)構(gòu)和突變受到Hsp90的直接或間接調(diào)控,這些蛋白都在細(xì)胞生理生化變化過程中起重要的調(diào)控作用。Hsp90與甾體激素類受體結(jié)合后,使該受體處于準(zhǔn)備與激素結(jié)合的構(gòu)象狀態(tài),直到與激素結(jié)合后,引發(fā)受體激活,同時(shí)Hsp90被受體釋放出來,證明Hsp90在調(diào)節(jié)甾體激素類受體的構(gòu)象中起了重要作用[29]。Hsp90還能與多種蛋白激酶如酪氨酸激酶II、酪氨酸激酶P60v-src、分裂原蛋白激酶、鈣調(diào)素、端粒酶等信號(hào)分子結(jié)合,參與多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

Hsp90 家族蛋白功能中的一個(gè)重要部分是參與了細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué),細(xì)胞形態(tài)和機(jī)動(dòng)性的調(diào)控。Hsp90能與肌動(dòng)蛋白和微管蛋白結(jié)合,并大量存在于折疊的膜上。Hsp90 以一種依賴ATP 的機(jī)制調(diào)控肌動(dòng)蛋白-肌球蛋白的相互作用。無細(xì)胞系統(tǒng)的試驗(yàn)表明,ATP能誘導(dǎo)Hsp90 從F-肌動(dòng)蛋白上解離下來。此外,細(xì)胞中Hsp90 表達(dá)水平的升高能改變細(xì)胞形態(tài)和增加細(xì)胞的遷移能力。

2.2 HSP90分子伴侶系統(tǒng)的作用模式

Hsp90在體內(nèi)與多于100種的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)蛋白相互作用,充當(dāng)分子伴侶功能[30]。Hsp90與蛋白激酶和類固醇激素受體等信號(hào)傳導(dǎo)蛋白相互作用并形成復(fù)合體[31],使其具有生物活性。Hsp90是機(jī)體重要的分子伴侶之一,主要在兩個(gè)方面不同于其他分子伴侶:(1)輔助接近空間構(gòu)象成熟的底物蛋白質(zhì),不共價(jià)修飾“客戶蛋白”,僅改變其構(gòu)象;(2)客戶蛋白比較特殊,主要是參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的蛋白,如激酶蛋白、膜受體和核內(nèi)受體及轉(zhuǎn)錄因子等。Hsp90在HOP、P23、Cdc37等輔伴侶分子(cochaperone)參與下與“客戶蛋白”結(jié)合,許多輔伴侶分子競爭性結(jié)合Hsp90的C末端。熱激蛋白作為分子伴侶,可通過防止其他蛋白質(zhì)變性,使其恢復(fù)原有的空間構(gòu)象和生物活性而保護(hù)細(xì)胞,維持細(xì)胞正常的生理功能[32]。

在生物進(jìn)化過程中,Hsp90 是一種高度保守的蛋白質(zhì),主要存在于細(xì)胞漿中,在無壓力脅迫條件下約占胞漿蛋白的1%-2%,壓力脅迫下其含量更高[33]。作為分子伴侶,Hsp90 主要參與蛋白質(zhì)的折疊、蛋白質(zhì)完整結(jié)構(gòu)的維持及調(diào)控、細(xì)胞周期調(diào)控、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等途徑。參與細(xì)胞循環(huán)的Weel 絡(luò)氨酸激酶通過與Hsp90相互作用后才能發(fā)揮活性,從而對(duì)細(xì)胞周期進(jìn)行調(diào)節(jié)[34]。Polo是一種參與細(xì)胞分化的蛋白激酶,研究發(fā)現(xiàn) Hsp 90活性受到抑制時(shí)會(huì)導(dǎo)致Polo激酶失去活性,細(xì)胞不能正常分化[35]。大部分蛋白質(zhì)在合成之后,必須折疊成它們最后的形態(tài)和高級(jí)結(jié)構(gòu)以發(fā)揮正常功能。熱激蛋白Hsp90 是分子伴侶家族的重要一員,其中央?yún)^(qū)域通常為客戶蛋白結(jié)合結(jié)構(gòu)域[18,36],在輔助細(xì)胞內(nèi)蛋白折疊和組裝過程中起重要作用。它在細(xì)胞中表達(dá)豐度很高,可以參與許多重要細(xì)胞代謝活動(dòng)[37]。

3 昆蟲HSP90的研究現(xiàn)狀

熱激蛋白是昆蟲體內(nèi)大量表達(dá),昆蟲生存的重要調(diào)節(jié)劑。Hsp90作為生物體在各種環(huán)境脅迫下誘導(dǎo)表達(dá)的熱激蛋白除抵御外界不良逆境的作用外,熱激蛋白Hsp90與類固醇激素受體及蛋白激酶等信號(hào)傳導(dǎo)蛋白相互作用并形成復(fù)合體[31],使其具有生物活性,即使是在無脅迫的條件下,Hsp90也是真核生物必不可少的[38]。因此,研究昆蟲熱激蛋白意義非常重大,有助于了解昆蟲生長發(fā)育與各種影響因子的變化關(guān)系。

3.1 HSP90廣泛參與昆蟲生長發(fā)育過程

Hsp90是一種高度保守并普遍存在于原核以及真核生物細(xì)胞中的分子伴侶,是真核生物生長發(fā)育所必需。Hsp90能輔助蛋白的折疊、激活和成熟,并改變和維持參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的蛋白構(gòu)象,在細(xì)胞的生長過程中起著重要的作用[3]。最近也有不少研究表明,昆蟲的熱激蛋白基因可能在昆蟲的生長發(fā)育、滯育期間、種群密度等方面起著一定的作用。Huang等[39]研究熱激蛋白對(duì)美洲斑潛蠅冷耐受力和生長發(fā)育方面的作用機(jī)理,結(jié)果表明小分子熱激蛋白含量在蛹期最高,而大分子熱激蛋白(包含Hsp90)表達(dá)量則隨著生長發(fā)育而呈遞增趨勢。楊麗紅等[40]研究發(fā)現(xiàn)柑橘全爪螨(Panonychus citri)Hsp90基因在卵、若螨和成螨階段均大量表達(dá),說明Hsp90基因與維持基本生命活動(dòng)和生長發(fā)育相關(guān)。在對(duì)赤擬谷盜(Tribolium castaneum Herbst)的Hsp83研究中發(fā)現(xiàn),卵巢中Hsp83只能在性成熟的雌蟲中檢測到,而剛羽化的雌蟲卻沒有,不管它們是否受到熱脅迫,并且通過RNAi技術(shù)抑制Hsp83的表達(dá)使得雌蟲無法產(chǎn)出成熟的卵細(xì)胞??梢?,Hsp83在赤擬谷盜雌蟲的卵巢發(fā)育期間起著重要保護(hù)作用[41]。在棉鈴蟲滯育期間Hsp70表達(dá)量并沒有上升,而 Hsp90 的表達(dá)量卻逐漸減少[42]。在形態(tài)進(jìn)化過程中,Hsp90起到“突變緩沖器”的作用[43]。通過對(duì)果蠅(Drosophila melanogaster)的研究發(fā)現(xiàn) Hsp90對(duì)基因突變具有形態(tài)緩沖作用。雖然基因發(fā)生了突變,但是由于Hsp90能維持突變蛋白的正常功能,使這些突變蛋白能正常參與發(fā)育和形態(tài)發(fā)生過程中的信號(hào)傳導(dǎo),最終本該表現(xiàn)出的突變表型在外形上表現(xiàn)正常[44]。因此,在Hsp90的保護(hù)下,這種突變是中性的并且可以累積,并以隨機(jī)漂移的方式發(fā)生改變。最后當(dāng)累積的突變超過了由正常Hsp90的適宜量所決定的閾值,或者當(dāng)環(huán)境脅迫引起的閾值水平下降時(shí),將誘導(dǎo)中性突變轉(zhuǎn)變?yōu)檫x擇性突變。

Miska等[45]研究發(fā)現(xiàn)柔嫩艾美耳球蟲(Eimeria)Hsp90的轉(zhuǎn)錄發(fā)生在蟲體的所有階段,柔嫩艾美耳球蟲入侵宿主細(xì)胞過程中,蟲體在宿主細(xì)胞內(nèi)定居和發(fā)育同時(shí)受到宿主細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的應(yīng)激。Peroval等[46]發(fā)現(xiàn)柔嫩艾美耳球蟲Hsp90在蟲體入侵宿主細(xì)胞的過程中表達(dá)量增加,而使用特異性抗體和格爾德霉素(GA)抑制其Hsp90的功能之后,蟲體入侵宿主細(xì)胞和其生長發(fā)育均受阻。同樣,Echeverria等[47]研究發(fā)現(xiàn)利用格爾德霉素(GA)抑制剛地弓形蟲(Toxoplasma gondii)Hsp90的功能之后,弓形蟲的速殖子和緩殖子之間的相互轉(zhuǎn)變受到阻礙,表明弓形蟲Hsp90對(duì)蟲體入侵宿主細(xì)胞和蟲體在宿主細(xì)胞內(nèi)生長發(fā)育也起到重要作用。Hsp90能夠結(jié)合肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白,大量存在于折疊的膜上,而肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白是昆蟲肌肉發(fā)育過程中的關(guān)鍵因子,Hsp90以一種依賴ATP的機(jī)制調(diào)控肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白的相互作用。Hsp90表達(dá)水平的升高能改變細(xì)胞形態(tài)和增加細(xì)胞的遷移能力,對(duì)細(xì)胞的生長發(fā)育起調(diào)節(jié)作用。Hsp90調(diào)控著機(jī)體內(nèi)40種左右細(xì)胞生理生化過程中的調(diào)控蛋白,在機(jī)體的生長發(fā)育過程中起著重要的作用。

3.2 HSP90與昆蟲滯育

大量的研究已表明熱休克蛋白與滯育密切相關(guān)[12,48,49]。Hsp90與生物的發(fā)育密切相關(guān),可以調(diào)控果蠅的卵子發(fā)生[50],參與果蠅的表型進(jìn)化[44],并在細(xì)胞轉(zhuǎn)型中起調(diào)節(jié)作用[51],Hsp90在果蠅的形態(tài)突變和絕育上起著生物緩沖器的作用[44,52];果蠅在正常發(fā)育情況下Hsp90表達(dá)量維持在較低水平[53],但經(jīng)熱激和其他環(huán)境刺激表達(dá)量明顯升高[54];甘藍(lán)根結(jié)線蟲(Meloidogyne artiellia)的二齡幼蟲在受到熱激時(shí),Hsp90的轉(zhuǎn)錄水平明顯提高[55],滯育和非滯育條件下肉蠅(Sarcophaga peregrina)經(jīng)高溫和低溫處理都能誘導(dǎo)Hsp90的高表達(dá)[56],南美斑潛蠅(Liriomyza huidobrenisis)Hsp90亦可由溫度誘導(dǎo)表達(dá)[57]。竹蠹螟(Omphisa fuscidentalis)Hsp90在滯育后期表達(dá)量明顯減少,Hsp90可能與滯育維持相關(guān)聯(lián)[58]。二化螟(Chilo suppressalis)在滯育期間Hsps 的表達(dá)模式與竹蠹螟相似,Hsp90在滯育幼蟲表達(dá)高于非滯育幼蟲,冷激處理非滯育幼蟲可以誘導(dǎo)Hsp90上調(diào),而滯育幼蟲則未顯示上調(diào)表達(dá)[59]。秀麗小桿線蟲滯育期,Hsp90轉(zhuǎn)錄水平明顯提高了10-15 倍,滯育期恢復(fù)2 h 后,Hsp90轉(zhuǎn)錄水平明顯下降[60]。麗蠅蛹集金小蜂(Nasoniavitripennis)Hsp90基因的表達(dá)量隨幼蟲滯育的進(jìn)程而下降[61]。棉鈴蟲(Helicoverpa armigera)滯育蛹中Hsp90表達(dá)量下降,在美洲棉鈴蟲(Helicoverpa zea)滯育蛹中Hsp90 表達(dá)量也下降[42,62]。麻蠅(Sarcophaga)在滯育期間Hsp90表達(dá)量下降,Hsp90 在滯育期間的表達(dá)可能與蛻皮激素的降解有關(guān)[56,63-65]。這些研究表明Hsp90與滯育是密切關(guān)聯(lián)的,Hsp90可能作用于維持蛋白的結(jié)構(gòu)或活化蛻皮激素[66,67]。

已有很多研究結(jié)果表明,熱激蛋白在昆蟲體內(nèi)的表達(dá),與滯育存在一定關(guān)系,滯育與Hsp90 的表達(dá)量有更密切的聯(lián)系。Hsp90 在不同階段及包括腦、胸部肌肉、腸和卵巢等不同組織的表達(dá)量不同,且各種組織中均有其獨(dú)特的作用。Hsp90的差異表達(dá)可以有效地幫助人們更好地了解這些蛋白對(duì)昆蟲滯育的調(diào)節(jié)功能[42]。研究昆蟲Hsp90基因的性質(zhì)與基因的表達(dá)量,有利于闡明昆蟲滯育誘導(dǎo)機(jī)理,以及預(yù)測滯育發(fā)生的時(shí)間。在生物防治方面,可以利用熱休克蛋白Hsp90的表達(dá)機(jī)理來調(diào)控昆蟲(如寄生蜂等)的滯育時(shí)間與時(shí)長,以提高防效。

3.3 HSP90和昆蟲的抗藥性

殺蟲藥劑進(jìn)入生物體內(nèi)后除了與其主要作用靶標(biāo)結(jié)合發(fā)揮其毒性外,還可引起機(jī)體其他組織的損傷。如Bagchi等[68]發(fā)現(xiàn)倍硫磷、氯丹和異狄氏劑等殺蟲藥劑處理大鼠可引起其腦部脂類的過氧化及DNA 單鏈斷裂,這主要是藥劑處理后導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧或氧自由基所致。而Hsp蛋白的過量表達(dá)則可通過短期內(nèi)改變細(xì)胞的代謝活性,防止蛋白降解、抑制細(xì)胞膜中脂類的過氧化、維持ATP 水平或誘導(dǎo)過氧化物歧化酶表達(dá)等消除這些氧化壓力,從而保護(hù)細(xì)胞免受傷害[69]。Feng等[70]發(fā)現(xiàn)阿維菌素處理朱砂葉螨(Tetranychus cinnabarinus)可顯著誘導(dǎo)阿維菌素抗性、耐熱品系和敏感品系朱砂葉螨Hsp90的過量表達(dá),推測Hsp90的表達(dá)可能與其對(duì)阿維菌素的抗性和對(duì)極端溫度的忍耐有關(guān)。王利華等研究發(fā)現(xiàn)高溫適應(yīng)性的灰飛虱可以提高其對(duì)毒死蜱的抗性,同時(shí)Hsp90表達(dá)量明顯增多。因?yàn)闊峒さ鞍着c昆蟲的正常生長發(fā)育密切相關(guān),推測高溫適應(yīng)性灰飛虱對(duì)毒死蜱的敏感性下降也可能與熱激蛋白的變化有關(guān)[71]。王海鴻[72]的研究也表明熱休克蛋白的表達(dá)與煙粉虱的抗性有一定的關(guān)系。

3.4 已開展HSP90研究的昆蟲

熱激蛋白可提高機(jī)體對(duì)不良環(huán)境的耐受性,保護(hù)機(jī)體或細(xì)胞在隨后的致死性應(yīng)激中不受或少受傷害,同時(shí)還具有保護(hù)、修復(fù)蛋白質(zhì),參與機(jī)體免疫、交叉保護(hù)等特性[73,74]。目前在昆蟲中已開展熱激蛋白相關(guān)研究的昆蟲種類主要包括雙翅目、鱗翅目、直翅目、蜚蠊目、膜翅目和鞘翅目等。迄今已經(jīng)在很多昆蟲體內(nèi)克隆得到了Hsp90的cDNA序列,如B型煙粉(Bemisia tabaciB-biotype)、溫室白粉虱(Aleurodes vaporariorum)、褐飛虱(Nilaparvata lugens)、二化螟(Chilo suppressalis)、玉米螟(Ostrinia nubilalis)、日本沼蝦(Macrobrachium nipponense)、棉鈴蟲(Helicoverpa armigera)、豌豆蚜(Acyrthosiphon pisum)、埃及伊蚊(Aedes aegypti)、印度跳蟻(Harpegnathos saltator)、中紅側(cè)溝繭蜂(Microplitis mediator)、盤絨繭蜂(Cotesia vestalis)、意蜂(Apis mellifera)、蝶蛹金小蜂(Pteromalus puparum)、歐洲熊蜂(Bombus terrestris)、甜菜夜蛾(Spodoptera exigua Hiibner)、異色瓢蟲(Leis axyridis)、果蠅(Drosophila melanogaster)、地中海實(shí)蠅(Ceratitis eapitata)、黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)、綠蠅(lucilia)、美洲斑潛蠅(Liriomyza sativae)、赤擬谷盜(Tribolium castaneum Herbst)、家蠶(Bombyx mori)、半目大蠶蛾(Antheraea yamamai)、沙蟋(Gryllus firmus)、柑橘全爪螨(Panonychus citri)。比較發(fā)現(xiàn)Hsp90在不同物種體內(nèi),基因長度相差不大,編碼的氨基酸數(shù)量相差不超過10個(gè),是一個(gè)相當(dāng)保守的基因。

4 展望

昆蟲在動(dòng)物界中所占的數(shù)量多,分布廣,并且具有高度的適應(yīng)能力和防御機(jī)能。研究發(fā)現(xiàn),熱激蛋白參與昆蟲的耐熱反應(yīng),因此研究昆蟲熱激蛋白與耐熱性之間的關(guān)系,有助于了解昆蟲生長發(fā)育與溫度之間的依賴性。并且,除溫度外的其他許多因素(如紫外線照射、病原物入侵、重金屬離子的破壞、殺蟲劑等)均能引起熱休克反應(yīng),如有報(bào)道說殺蟲劑影響熱激蛋白的表達(dá)[75-78]。因此,研究昆蟲熱激蛋白的產(chǎn)生、變化規(guī)律可以了解昆蟲的生長發(fā)育與各影響因子的變化關(guān)系,對(duì)害蟲的綜合防治提供新思路。

昆蟲在地球上的廣泛分布及對(duì)各種環(huán)境極強(qiáng)的適應(yīng)性,與昆蟲體內(nèi)的調(diào)節(jié)機(jī)制是分不開的。生物體在一些不利外界環(huán)境的刺激下產(chǎn)生熱激蛋白,使機(jī)體少受損傷或者不受損傷,Hsp90是熱激蛋白中的重要成員,開展Hsp90的研究有利于揭示昆蟲對(duì)環(huán)境的調(diào)節(jié)和適應(yīng)機(jī)制。目前,Hsp90在昆蟲中的脅迫應(yīng)答機(jī)理、分子伴侶的作用及其在提高昆蟲抗逆過程中的功能尚不明確,極少見到Hsp90伴侶復(fù)合體生理學(xué)功能的報(bào)道。近幾年發(fā)現(xiàn),Hsp90具有抵御高溫迫害以及遺傳緩沖的作用,此發(fā)現(xiàn)拓寬了人們對(duì)Hsp90的認(rèn)識(shí)并引起了研究者們的極大興趣。但昆蟲Hsp90潛在的重要作用尚未發(fā)現(xiàn),特別是昆蟲Hsp90系統(tǒng)的特性、定位于不同細(xì)胞器的Hsp90功能和作用機(jī)制,以及Hsp90在昆蟲抗高溫和非生物脅迫過程中的具體途徑還有待于進(jìn)一步研究。環(huán)境脅迫、昆蟲抗性與Hsp90之間的相互作用及分子機(jī)制的解析,對(duì)深入了解昆蟲抗逆分子機(jī)理和滯育防治害蟲具有重要的理論和實(shí)踐意義。

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(責(zé)任編輯 狄艷紅)

Research Progress on Heat Shock Protein 90 of Insects

Zhang Ke Weng Qunfang Fu Haohao
(Key Laboratory of Natural Pesticide and Chemical Biology,Ministry of Education,South China Agricultural University,Guangzhou 510642)

Heat shock protein 90(Hsp90)is one of the most extensive molecular chaperones in cells, indirect regulation of intracellular multiple and cell proliferation, differentiation, and survival, diapause, apoptosis and related signal transduction pathway. In recent years, awareness of Hsp90 family members at the molecular level, Hsp90 has become immune cells, signal transduction and anti-tumor research frontiers. Insects functional genome research is a worldwide craze, heat shock protein related to insect diapause research also unceasingly thorough. This article summarized the biological characteristics of Hsp90 at home and abroad in recent years, the biological function of Hsp90 and its control research present situation and prospect in insect, in order to provide references information for the research of integrated pest control.

Heat shock protein 90 Molecular chaperone Diapauses Application

2013-08-13

國際原子能機(jī)構(gòu)資助項(xiàng)目(15630)

張珂,女,碩士研究生,研究方向:昆蟲分子生物學(xué);E-mail:zhangke2110@163.com

翁群芳,女,副教授,研究方向:天然源農(nóng)藥,農(nóng)藥殘留與環(huán)境保護(hù),昆蟲生理毒理等;E-mail:wengweng@scau.edu.cn

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