李欣，楊勁鵬，孫煒瀚，朱清宇，李兵,2*

（1.蘇州大學(xué) 蘇州醫(yī)學(xué)院，江蘇蘇州 215123；2.蘇州大學(xué)蠶桑研究所，江蘇蘇州 215123）

Ca2+在生物體內(nèi)廣泛分布，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞增殖、自噬凋亡和組織分化發(fā)育等多種生理活動(dòng)[1-2]。Ca2+在細(xì)胞中主要儲(chǔ)存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體內(nèi)，參與細(xì)胞內(nèi)激素信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)和信息傳遞，是各種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，Ca2+在昆蟲(chóng)細(xì)胞中的功能是研究熱點(diǎn)之一。保幼激素（Juvenile Hormone，JH）和蛻皮激素（20-Hydroxyecdysone，20E）是調(diào)節(jié)昆蟲(chóng)生命活動(dòng)的重要激素，對(duì)鱗翅目類昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)、生殖系統(tǒng)發(fā)育以及結(jié)繭等過(guò)程有顯著的調(diào)控作用。JH 是一類半萜類化合物，可以延長(zhǎng)昆蟲(chóng)幼蟲(chóng)期和維持幼蟲(chóng)特征[3-4]。20E 可以調(diào)節(jié)昆蟲(chóng)的蛻皮過(guò)程，促進(jìn)幼齡期縮短，被廣泛應(yīng)用于家蠶生產(chǎn)。Ca2+穩(wěn)態(tài)通過(guò)20E和JH 調(diào)控昆蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

1 Ca2+和Ca2+通道

1.1 Ca2+的功能

Ca2+在植物[5]、昆蟲(chóng)[1]以及哺乳動(dòng)物[6]的正常生長(zhǎng)發(fā)育中發(fā)揮重要的調(diào)控作用，參與生物體多種生理活動(dòng)的調(diào)控，包括基因轉(zhuǎn)錄、核孔復(fù)合物的調(diào)節(jié)、細(xì)胞增殖、細(xì)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(chóng)的變態(tài)發(fā)育中對(duì)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(hào)通路復(fù)雜，因此Ca2+的轉(zhuǎn)運(yùn)、穩(wěn)態(tài)和調(diào)控過(guò)程一直是研究熱點(diǎn)。

1.2 Ca2+通道

細(xì)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(kù)控制鈣通道（SOC）三種類型[1]。VOC 主要分布在興奮性細(xì)胞，分為T 型、N 型、L 型、P/Q 型和R 型[1,7]。ROC 是指通過(guò)與受體結(jié)合而激活的離子通道。SOC 是指由于細(xì)胞內(nèi)的Ca2+釋放而激活細(xì)胞膜的Ca2+通道。

2 Ca2+和鈣庫(kù)

細(xì)胞內(nèi)游離鈣濃度維持在極低的水平，約為100 nmol/L，細(xì)胞外Ca2+濃度為1 ～2 mmol/L[8]，細(xì)胞內(nèi)外Ca2+濃度相差約104倍。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的Ca2+濃度維持在0.1 ～1.0 mmol/L[7]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體是細(xì)胞的Ca2+庫(kù)，在調(diào)控各種生理活動(dòng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

2.1 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器，內(nèi)部?jī)?chǔ)存著豐富的Ca2+。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)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(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的鈣轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)還包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣泵（SERCA）和ER 鈣過(guò)載激活的Ca2+通道（TMCO1）[7]。

RyRs 的名字來(lái)自Ryania屬灌木中提取到的天然產(chǎn)物蘭尼堿（RyR）。RyRs 參與昆蟲(chóng)肌肉收縮過(guò)程，調(diào)控內(nèi)部?jī)?chǔ)存鈣的釋放。新型殺蟲(chóng)劑氯蟲(chóng)苯甲酰胺（CAP）選擇性作用于RyRs，可以誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中儲(chǔ)存的Ca2+釋放，引起害蟲(chóng)肌肉調(diào)節(jié)功能衰弱[7]，從而殺滅害蟲(chóng)。

IP3Rs 屬于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的鈣釋放通道家族，游離Ca2+的濃度對(duì)IP3Rs 有雙向調(diào)節(jié)作用，低濃度Ca2+促進(jìn)IP3Rs 活性而高濃度抑制其活性，維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+穩(wěn)態(tài)平衡[7]。此外，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的IP3Rs 和RyRs 同源，具有高度的結(jié)構(gòu)相似性[9]。

SERCA 分子量為110 kDa，含有兩個(gè)Ca2+結(jié)合位點(diǎn)，是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)攝取Ca2+的主要途徑，通過(guò)消耗腺苷三磷酸（ATP）將Ca2+逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。在杜氏肌營(yíng)養(yǎng)不良模型（Mdx）小鼠中使用SERCA 變構(gòu)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(nèi)質(zhì)網(wǎng)的跨膜蛋白。當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣超載時(shí)，TMCO1 由單聚體組裝成四聚體的通道，促進(jìn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Ca2+釋放，維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的Ca2+穩(wěn)態(tài)[7]。

2.2 線粒體

線粒體內(nèi)也儲(chǔ)存大量的Ca2+，Ca2+可以通過(guò)線粒體鈣單向轉(zhuǎn)運(yùn)體（MCU）、電壓依賴性陰離子選擇通道、線粒體蘭尼堿受體轉(zhuǎn)運(yùn)體、線粒體通透性過(guò)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(nèi)Ca2+的穩(wěn)態(tài)。由于MCU 沒(méi)有經(jīng)典的Ca2+結(jié)合域，多種輔助亞基與MCU 結(jié)合成線粒體Ca2+離子通道，共同完成Ca2+的攝取[7]，相關(guān)的輔助亞基有EMRE、MICU1/2/3、MCUR1 和MCUb[11]。

3 昆蟲(chóng)激素

昆蟲(chóng)的內(nèi)源性激素主要有20E 和JH。20E 可以促進(jìn)幼蟲(chóng)的生長(zhǎng)蛻皮，而JH 可以減緩幼蟲(chóng)生長(zhǎng)，維持幼蟲(chóng)特征。昆蟲(chóng)激素以及昆蟲(chóng)激素類似物被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)上，提高了生產(chǎn)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(diào)節(jié)昆蟲(chóng)的蛻皮過(guò)程和成蟲(chóng)的結(jié)構(gòu)分化。在生產(chǎn)上，20E 常用來(lái)處理5 齡家蠶，使得蠶體發(fā)育整齊，可提高生產(chǎn)效率。在家蠶BmN4細(xì)胞系中添加20E 后，此前IncR17454 基因表達(dá)被抑制的家蠶lncR17454 和let-7 簇的表達(dá)水平均顯著升高，表現(xiàn)為蛻皮停滯現(xiàn)象消失[12]?？梢?jiàn)蛻皮素信號(hào)通路在家蠶的變態(tài)發(fā)育中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。

3.2 保幼激素

JH 是在昆蟲(chóng)咽側(cè)體通過(guò)甲羥戊酸途徑合成的一類半萜類化合物，隨后分泌進(jìn)入血淋巴[4]，具有維持幼蟲(chóng)特征和促進(jìn)性腺的作用[3]。目前，JH 已在昆蟲(chóng)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(chóng)的不同功能中發(fā)揮著各自的作用，NUR ALIAH 等[13]認(rèn)為，JH Ⅲ在不同昆蟲(chóng)中是最常見(jiàn)的，廣泛分布于鱗翅目、雙翅目和膜翅目昆蟲(chóng)中。JH 在生產(chǎn)上被用于延長(zhǎng)家蠶幼蟲(chóng)期，增加家蠶進(jìn)食量，從而增加吐絲量和產(chǎn)繭量。同時(shí)JH 類似物（JHA）作為“第三代殺蟲(chóng)劑”已使用了近45 年，對(duì)病媒控制、阻斷幼蟲(chóng)細(xì)胞的死亡和延長(zhǎng)幼蟲(chóng)期發(fā)揮了重要作用[14]。

4 Ca2+介導(dǎo)蛻皮激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

4.1 20E 基因組調(diào)控途徑

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

4.2 20E 非基因組調(diào)控途徑

20E 還可以與膜受體結(jié)合，引起膜內(nèi)Ca2+濃度快速變化，調(diào)控下游的基因轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)翻譯修飾等一系列生理活動(dòng)[16]，這個(gè)過(guò)程被稱為20E 的非基因組調(diào)控。20E 可以通過(guò)G 蛋白偶聯(lián)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(hào)通路來(lái)誘導(dǎo)基質(zhì)相互作用分子（STIM1）的Ser-485 位點(diǎn)磷酸化。其中，STIM1 是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的細(xì)胞內(nèi)鈣傳感器，對(duì)于鈣庫(kù)操縱性鈣內(nèi)流（SOCE）有重要意義[17]。當(dāng)20E 和GPCR 結(jié)合時(shí)，PLC 被激活產(chǎn)生三磷酸肌醇（IP3），IP3與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的受體結(jié)合將Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放到細(xì)胞質(zhì)中。儲(chǔ)存鈣含量的減少促使STIM1 低聚物的形成，隨后STIM1低聚物轉(zhuǎn)移到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-質(zhì)膜結(jié)合點(diǎn)，激活SOCE 的關(guān)鍵蛋白Orai，從而誘導(dǎo)Ca2+的流入[17]。

5 Ca2+介導(dǎo)JH 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

在JH 的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，JH 可以結(jié)合細(xì)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(hào)通路及Ca2+的信息傳遞鏈，從而實(shí)現(xiàn)其生物學(xué)作用[18]。同時(shí)Met-Tai 復(fù)合物在JH 反應(yīng)基因的調(diào)控區(qū)識(shí)別E-box 樣序列，導(dǎo)致這些基因的轉(zhuǎn)錄激活[19]。

JH 除了基因組調(diào)控途徑外，還可以通過(guò)其他非基因組信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路對(duì)昆蟲(chóng)生命活動(dòng)進(jìn)行調(diào)控[18]。在非基因調(diào)控信號(hào)通路上，JH 可通過(guò)某種未知的膜受體調(diào)控IP3、二酯酰甘油（DAG）和胞內(nèi)Ca2+水平，并激活下游的PKC 和鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ（CaMK Ⅱ），導(dǎo)致Met 和Tai 的磷酸化[19]，從而完成信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)并調(diào)控昆蟲(chóng)各項(xiàng)生命活動(dòng)。Ca2+作為PKC信號(hào)通路上關(guān)鍵的一環(huán)，在IP3與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的受體結(jié)合后，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中貯存的Ca2+大量流出，參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)并且影響下游通路相關(guān)分子水平，介導(dǎo)JH 非基因組調(diào)控途徑。

有研究者對(duì)新出生蚊的腹部組織進(jìn)行體外培養(yǎng)，在新出現(xiàn)的雌蚊中，RNA 干擾技術(shù)（RNAi）介導(dǎo)的PLC 或CaMK Ⅱ的缺失顯著降低了JH 反應(yīng)基因的表達(dá)，PLC 通路的激活導(dǎo)致Met-Tai 復(fù)合物與JH 響應(yīng)元件（JHREs）的結(jié)合增強(qiáng)[19]。表明JH 的基因組調(diào)控和非基因組調(diào)控存在相互作用，兩種調(diào)節(jié)機(jī)制相互影響和補(bǔ)充。

6 問(wèn)題與展望

Ca2+廣泛分布于哺乳動(dòng)物和昆蟲(chóng)體內(nèi)，是重要的信號(hào)分子，也作為重要離子組分維持機(jī)體正常的電生理狀態(tài)。作為細(xì)胞的Ca2+庫(kù)，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體儲(chǔ)存著大量Ca2+，依賴內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體上的鈣離子通道控制Ca2+的釋放和進(jìn)入。同時(shí)，20E 和JH 是調(diào)節(jié)昆蟲(chóng)變態(tài)發(fā)育的重要激素，具有包括基因組調(diào)控途徑和非基因組調(diào)控途徑在內(nèi)的多種信號(hào)調(diào)節(jié)通路，上述信號(hào)通路均與Ca2+關(guān)系密切。

目前，Ca2+相關(guān)研究熱點(diǎn)包括哺乳動(dòng)物心肌電生理相關(guān)領(lǐng)域、昆蟲(chóng)激素和昆蟲(chóng)胞內(nèi)Ca2+調(diào)控等領(lǐng)域，但仍有一些問(wèn)題尚不清楚，比如JH 的基因組調(diào)控和非基因組調(diào)控之間具體的相互作用機(jī)制，泌絲昆蟲(chóng)絲腺細(xì)胞程序性死亡（PCD）過(guò)程中Ca2+介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和自噬的信號(hào)通路機(jī)制等。Ca2+在體內(nèi)的分布對(duì)維持細(xì)胞生理活動(dòng)至關(guān)重要，在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。系統(tǒng)詳實(shí)地闡明Ca2+對(duì)JH 和20E 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)控作用，可以從分子層面闡述哺乳動(dòng)物與昆蟲(chóng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在進(jìn)化上的差異，為動(dòng)物組織器官PCD 過(guò)程中Ca2+介導(dǎo)的具體分子機(jī)制提供參考。