昆蟲脂動激素及其受體調控能量動態平衡的研究概述＊

解鴻青，李聰慧，崔詩遙，但彩云，屠振力，時連根

（浙江大學動物科學學院，浙江 杭州 310058）

昆蟲為開放式的循環系統，血液在體內循環時只有一段通過背血管，其余均在體腔內開放流動，而所有組織器官都浸浴于血液中，組織器官和細胞可以直接與血液進行物質交換。昆蟲的主要能量（蛋白質、脂質和碳水化合物）由從飼料中攝取的各種營養物質在脂肪體中合成和儲存，當昆蟲遷移飛翔、繁殖、生長發育等的時候，又從脂肪體源源不斷地釋放出能量，并通過循環的血液帶給翅膀、卵巢等相應的組織器官，昆蟲的這種能量動態平衡是由脂動激素（Adipokinetic Hormone，AKH）及其受體（脂動激素受體，Adipokinetic Hormone Receptor，AKHR）調控的。為此，AKH/AKHR調控昆蟲能量動態平衡的作用機制研究受到國內外學者的廣泛關注，其研究取得了積極進展，本文對此研究概況進行了闡述。

1 脂動激素

1.1 脂動激素的發現

脂動激素（AKH）是一類主要由昆蟲心側體合成、儲存并釋放到血液中的神經肽，此外發現草地貪夜蛾頭部、飛行肌、脂肪體、卵巢等部位中也有脂動激素表達［1］。Steele于1961年最早發現美洲大鐮心側體提取物能夠提高血液中碳水化合物的含量［2］，后來Mayer等和Beenakkers等又分別于1969年發現蝗蟲心側體提取物能夠明顯提高血液中的脂類水平［3，4］，說明昆蟲心側體中存在某些能夠調節碳水化合物和脂類代謝的激素。直至1976年由Stone等首次從蝗蟲中分離并鑒定到了第一個AKH，并闡明了它的氨基酸序列［5］。此后，從各種昆蟲中不斷分離并鑒定到AKH，至今已從絕大多數昆蟲目的70多種昆蟲中分離到了50多種AKH。從家蠶中已經分離出3個AKH，第一個AKH（AKH1）由Ishibashi等于1992年分離與鑒定出來，但發現其與受體的結合活性較低，表明家蠶中可能還存在其它種類AKH［6］。此后，又由Roller等和Zhu等分別于2008年和2009年從家蠶中分離到2個AKH（AKH2和AKH3），AKH2活性與AKH1的相似，但AKH3活性較低［7，8］。

1.2 脂動激素的結構特征

AKH一般包含8～10個氨基酸，其結構特征為N末端是焦谷氨酸殘基，C末端常發生酰胺化，在第4位和第8位分別是苯丙氨酸（芳香族氨基酸）殘基和色氨酸（雜環族氨基酸）殘基，若為九肽或十肽，則第9位通常為甘氨酸［9］。在昆蟲長期的自然進化過程中，AKH保持著相對的穩定狀態，序列保守性高，其序列在部分昆蟲間甚至完全一致，如煙草天蛾AKH與家蠶AKH1的氨基酸序列均為pQLTFTSSWGa［6，10］。家蠶AKH1為九肽，其序列為 pQLTFTSSWGa，家蠶AKH2和AKH3均為十肽，其序列分別為pQLTFTPGWGQa和 pQITFSRNWSGa［6～8］。

2 脂動激素受體

2.1 脂動激素受體的克隆

AKH的作用是通過脂動激素受體（AKHR）來介導的，但國內外對AKHR的研究一直比較滯后。最初的研究發現，當昆蟲脂肪體與適當濃度的AKH一起孵育時，就會導致肌醇三磷酸（IP3）增加和內質網Ca++庫里Ca++離子釋放至細胞質中，并且呈現出顯著的濃度和時間依賴關系［11］。進一步研究發現，用磷酸脂酶C（PLC）的拮抗劑U-73122，就能部分或完全抑制AKH對PLC的激活活性［12］。直到2002年，才由丹麥哥本哈根大學的Grimmelikhuijzen研究組首先從家蠶和果蠅中克隆了AKHR，并查明AKHR無論結構上還是進化上，均與脊椎動物的促性腺激素釋放激素非常接近［13］。后來又分別從美洲大蠊（Periplaneta americana）［28］和按蚊（Anopheles gambiae）中克隆了AKHR［14］。

Huang等采用RT-PCR方法從家蠶蛹脂肪體中克隆出家蠶AKHR基因，檢測發現家蠶AKHR定位在細胞膜上，在脂肪體中高水平表達，在表皮、肌肉、馬氏管、睪丸和卵巢組織中也有較低水平表達［15］。Shi等采用RT-PCR法又分別從家蠶幼蟲睪丸和腦中克隆得到了家蠶AKHR2a和家蠶AKHR2b二個新家蠶AKHR基因，AKHR2a和AKHR2b在睪丸中均有高水平表達，AKHR2a還在腦、表皮、絲腺、卵巢、腸和脂肪體中有較低水平表達，AKHR2b還在腦和卵巢中有較低水平表達，但在脂肪體中檢測不到AKHR2b的表達［16］。

2.2 脂動激素受體的結構

AKHR屬于有7個跨膜a-螺旋結構組成的G蛋白偶聯受體（G Protein Coupled Receptor，GPCR）大家屬，是與G蛋白偶聯并通過G蛋白傳遞其信號的。測序分析發現，家蠶AKHR1包含有405個氨基酸殘基，AKHR2a包含有418個氨基酸殘基，AKHR2b包含有416個氨基酸殘基，AKHR2a和AKHR2b與AKHR1的相同氨基酸殘基分別達到30.2和30.8%。AKHR的二級結構由胞外區、跨膜區和胞內三部分組成，胞外區包含N端和3段胞外環區，主要負責識別信號分子；跨膜區包含7段跨膜α螺旋，形成整個蛋白的骨架并負責結合配體、傳遞信號；胞內區包含3段胞內環區、胞內第8根螺旋和羧基端（C端），與G蛋白、GRKs、arrestin等下游效應分子結合以傳遞信號。

2.3 脂動激素受體的信號轉導

AKHR被AKH激活后，通過與G蛋白偶聯，調節相關酶活性，在細胞內產生第二信使cAMP積累、Ca2+動員和ERK1/2磷酸化，從而將AKH信號跨膜從胞外傳遞到胞內，改變細胞的生理活性。給蝗蟲注射AKH，引起蝗蟲脂肪體中cAMP水平明顯增高［17］。用不同濃度家蠶AKH1刺激穩定表達家蠶AKHR-GFP的HEK-293細胞株，能誘導細胞內cAMP含量積累并呈明顯的AKH1濃度依賴性，霍亂毒素（CTX）預處理能提高cAMP積累，但百日咳毒素（PTX）預處理對cAMP積沒有影響，顯示家蠶AKHR中通過與Gs蛋白偶聯來激發細胞cAMP水平提高的。

放射性Ca2+實驗證明，AKH能夠提高脂肪體對培養基中Ca2+的吸收，也提高脂肪體內Ca2+的外流［11］。在家蠶AKH1刺激下，家蠶AKHR通過與Gq蛋白偶聯，激發細胞內質網鈣庫的Ca2+釋放到胞質，其Ca2+流增加隨刺激的家蠶AKH1濃度增大而增大，呈濃度依賴型。

胞外信號調節激酶（MAPK）途徑可調節細胞從增殖分化到凋亡各種不同的進程，GPCRs通過MAPK途徑介導細胞生長和分化的過程［18］。ERK1/2是MAPK的重要成員，是胞外信號經受體轉到胞內最終實現其生理功能的重要調節因子。家蠶AKHR被AKH1激活后能刺激細胞的ERK1/2磷酸化瞬時增加，其ERK1/2磷酸化被蛋白激酶A（PKA）抑制劑H89、蛋白激酶C（PKC）抑制劑Go6983、胞外Ca2+螯合劑EGTA、胞內Ca2+螯合劑BAPTA-AM、PTX所顯著抑制，但PLC抑制劑U73122、PLD抑制劑FIPI、MMP 抑制劑 GM6001、EGFR 抑制劑 AG1478、PI3K抑制劑Wortmanmin、Src抑制劑PP2和β-Arrestin 2基因表達敲低均對ERK1/2磷酸化沒有影響，顯示家蠶AKHR經cAMP/PKA途徑激活ERK1/2系PKA/PKC/Ca2+依賴型和PTX敏感型，β-Arrestins及其它調節蛋白未參與其激活過程。

3 脂動激素/脂動激素受體的調控作用

脂動激素為昆蟲體內的重要調控因子，其信號由脂動激素受體轉導，脂動激素/脂動激素受體系統除參與調控脂類代謝與糖類平衡外，還可通過抑制脂肪體中蛋白質合成而影響生殖行為，也參與逆境生理與免疫反應等生命活動。

3.1 代謝調控

血糖平衡和脂類代謝對于調控昆蟲正常的生命活動非常重要，蝗蟲和蛾類在飛行過程中主要利用脂類物質向飛行肌供給能量，蜚蠊和蠅類主要利用糖類物質供給能量［19］。當脂動激素與脂動激素受體結合后，可激活信號轉導下游的糖類與脂類代謝調控途徑中的關鍵酶——甘油三酯酶和糖原磷酸化酶。甘油三酯酶將脂肪體內的三酰甘油降解為二酰甘油，二酰甘油進入血淋巴后，在載脂蛋白的作用下被運輸至飛行肌，并經酯酶水解為甘油和脂肪酸，其中甘油經底物活化后進入糖酵解途徑供能，脂肪酸則與脂肪酸結合蛋白結合后運輸至線粒體進行β-氧化釋放能量。脂肪體內的糖原在糖原磷酸化酶的作用下生成海藻糖，經血淋巴運輸進入飛行肌為飛行活動釋放能量［20］。東亞飛蝗的心側體提取物能顯著提高其血淋巴中的脂類水平［21］，被切除心側體的果蠅的脂類和糖類物質代謝均出現異常，并在行為上表現為活動會明顯減少與耐饑餓程度增加，而給果蠅局部注射AKH后，將導致其活動能力明顯增加［22，23］。

3.2 生殖調控

昆蟲需要在脂肪體內積累大量的脂類、糖類、蛋白等能源物質為生殖產卵做準備。AKH/AKHR抑制這些能源物質在脂肪體內的儲存，還抑制卵黃原蛋白的合成，從而對昆蟲生殖產卵起到調控作用。用AKH處理雌蟋蟀，可導致卵粒小且產卵數量減少［24］。但目前還沒有足夠的證據將AKH/AKHR單純看作是昆蟲生殖的抑制劑，因為有關AKH/AKHR調控昆蟲生殖的機制還不清楚。

3.3 逆境生理調控

AKH/AKHR在昆蟲逆境生理中具有保護作用，敲除果蠅AKH基因，使果蠅更易于遭受氧化性應激反應的損害［25］。如提高蝗蟲AKH濃度，則可以通過提高血淋巴中的谷胱甘肽水平及減少蛋白羰基化作用，來增強蝗蟲的抗氧化劑的保護，從而減少相應氧化性應激反應的損傷［26］。

3.4 免疫力調控

AKH/AKHR在調控昆蟲免疫力方面也起著重要的作用。給蝗蟲體內同時注射AKH和脂多糖，能激活酚氧化酶系統，并提高免疫結構的形成，產生典型的細胞和體液免疫應答反應［27］。然而，給蟋蟀注射AKH，卻使血淋巴中的載脂蛋白Ⅲ水平降低，導致免疫反應的抑制［28］。為此，AKH可能是一個雙向調控因子，既有提高免疫力的作用，也有抑制免疫力的作用，具體產生怎樣的作用由昆蟲種類及其免疫狀態來決定。

3.5 化學農藥毒力調控

氯菊酯可顯著提高始紅蝽血淋巴內的脂動激素滴度，馬拉硫磷處理后的始紅蝽也出現了類似的結果，表明脂動激素可能參與了化學農藥誘發的相關應答機制［29］。當馬拉硫磷與脂動激素混合后處理始紅蝽，可顯著增加其死亡率，并發現呼吸代謝產物CO2總量明顯升高［30］，這也在氯菊酯與脂動激素的混合處理試驗中得到了證實。殺蟲劑毒力增強的原因在于脂動激素加速了昆蟲的代謝活動，同時也利于殺蟲劑滲透擴散到昆蟲的各個組織。由此可見，脂動激素不僅參與調控昆蟲的能源代謝活動、生理生化活動，而且在害蟲防治中也具有潛在的應用價值。