整合昆虫发育生物学和果蝇遗传学来研究昆虫发育与变态

成熟动物(昆虫)个体大小主要由生长持续时间和生长速度2个因素所决定。蜕皮激素和保幼激素协同调控昆虫发育变态,并决定昆虫生长持续时间;胰岛素、营养和细胞接触抑制等生长死亡信号及其传导途径控制细胞分裂、长大、分化、死亡,并最终决定昆虫的生长速度。最近研究成果表明,蜕皮激素信号和胰岛素信号相互影响,对昆虫个体大小起决定性的作用;脂肪体和营养代谢把这2条信号传导途径整合起来。科学家将会整合昆虫发育生物学和果蝇遗传学,抓住生长持续时间和生长速率2个关键因素,并以营养代谢和脂肪体为切入点来研究昆虫的发育变态。     

昆虫糖脂代谢研究进展

肥胖症和糖尿病的日趋流行已经成为世界范围内的公共健康问题,其病因主要在于体内血糖/血脂含量升高引起的能量代谢紊乱。大量的证据表明,昆虫可以作为研究人类代谢疾病的理想模型,它不仅能合成与哺乳动物同源的糖脂代谢相关激素(如胰岛素样肽和脂动激素),而且还具有进化保守的代谢信号通路(如雷帕霉素靶蛋白信号通路)及相关器官与组织(如中肠和脂肪体)。本文主要介绍了昆虫糖脂代谢的过程与调控机制,重点涉及脂肪体和绛色细胞的生理功能、胰岛素样肽/脂动激素对血糖的拮抗调节、参与营养物质代谢的胰岛素-胰岛素样生长因子信号通路以及与类固醇激素合成相关的胆固醇代谢等内容,并结合最新研究成果对黑腹果蝇Drosophila melanogaster糖脂代谢相关基因及其功能进行了总结,以期为昆虫生理学和人类代谢疾病研究提供参考。     

意大利蜜蜂工蜂脂肪体胚后发育过程中细胞的增殖和凋亡

脂肪体是昆虫体内物质贮备和中间代谢的重要组织。本研究通过显微形态观察、 BrdU免疫组织化学和原位末端转移酶标记(TUNEL)细胞凋亡检测技术, 对意大利蜜蜂Apis mellifera ligustica工蜂脂肪体胚后发育过程中细胞的增殖和凋亡特点进行了比较研究。结果表明： 意大利蜜蜂工蜂脂肪体细胞数量的快速增加集中在幼虫发育前期（1-3龄）, 而细胞的凋亡则集中在蛹发育早期的2-3 d（预蛹-2日龄蛹）时间之内。在变态发育中, 工蜂幼虫脂肪体凋亡降解后重新组建形成成虫的脂肪体。本研究为昆虫脂肪体的功能研究以及昆虫组织细胞自噬和凋亡的机制研究提供一定的证据。     

蜕皮激素和IIS-TORC1信号的分子互作

蜕皮激素信号主导调控昆虫的蜕皮和变态,决定昆虫的发育时间;IIS-TORC1信号整合生长因子、激素、营养和能量信号,决定昆虫的生长速率。蜕皮激素和IIS-TORC1信号之间发生3种分子互作:(1)IIS-TORC1信号促进前胸腺和卵巢合成蜕皮激素前体。(2)在蜕皮和变态期间,蜕皮激素抑制脂肪体细胞内IIS-TORC1信号、Myc的转录、细胞生长及其内分泌功能,导致脑神经分泌细胞分泌胰岛素样肽的功能减弱,从而降低昆虫全身性的IIS-TORC1信号。(3)在幼虫摄食期间,胰岛素信号抑制FOXO的转录活性,降低了蜕皮激素受体EcR的转录共激活因子DOR编码基因的转录水平,从而阻碍了蜕皮激素信号传导。蜕皮激素信号和IIS-TORC1信号协同调控发育时间和生长速率共同决定昆虫的个体大小。     

蜜蜂级型分化机理

蜜蜂Apis spp.能有效地为多种植物及农作物授粉, 具有重要的经济和生态价值; 蜜蜂作为高度真社会性昆虫, 已成为社会生物学研究的模式生物。社会性昆虫的生殖劳动分工具有重要的进化意义, 而级型分化是形成生殖劳动分工的基础。近年来, 关于蜜蜂级型分化的研究已取得诸多重要成果, 其机理也得到了较为深入的阐释。营养差异引发蜜蜂幼虫的级型分化。蜂王浆中的主要蛋白组分之一--Royalactin是诱导蜂王发育的关键营养因子, 而脂肪体细胞的表皮生长因子受体介导了Royalactin的这种蜂王诱导作用。DNA甲基化是重要的表观遗传机制之一, 且与个体发育和疾病发生紧密相关, 近来的研究表明DNA甲基化在蜜蜂级型分化过程中发挥重要的调控作用。此外, 越来越多的研究进一步深化了人们对内分泌系统调节级型分化作用的认识。本文从关键营养因子调控、 表观遗传调控和内分泌调节3方面综述蜜蜂级型分化的机理, 并对未来的研究提出可能的方向。     

昆虫胰岛素生理功能的研究进展

胰岛素是由胰岛β细胞经过一些内源性或外源性物质的诱发而分泌的蛋白质激素,通过细胞的信号转导控制调节糖、脂肪和蛋白质代谢,从而影响生殖以及衰老等生长发育过程。近年来研究陆续证实该途径在昆虫中也普遍存在。本文综述了昆虫胰岛素信号途径,胰岛素在调控昆虫生长发育、生殖和行为方面的重要作用,并且胰岛素可以通过对保幼激素和蜕皮激素的影响间接作用于昆虫,对了解胰岛素在昆虫生理功能中的作用及害虫综合防治策略的制定具有积极意义。     

昆虫脂肪体的代谢作用

<正> 昆虫体内蕴藏着大量的脂肪体。这些脂肪体从表面上看似乎只是类脂物的贮存,但实际上是昆虫生长、发育、变态和生殖等代谢活动的中心组织。由于脂肪体能贮存营养、解毒及为昆虫生命的周期活动提供各种生物合成的代谢产物,因此,人们将昆虫的脂肪体比拟为脊椎动物的肝脏。昆虫脂肪体的代谢作用是受激素调节控制的,本文介绍这方面研究结果的概况。 1.脂肪体的结构 昆虫的脂肪体有不同的形态,不同目的昆虫脂肪体的结构不同:有纸片状(半翅目)、绳子状(直翅目)、带状(鳞翅目)和球状(鞘翅目)     

蜜蜂级型分化机理

蜜蜂是整个大自然生态系统中不可或缺的一部分,能有效地为多种植物和农作物授粉。蜜蜂是典型的真社会性昆虫,其生殖劳动分工现象有重要进化意义。而级型分化是导致劳动分工的一个重要因素,蜜蜂级型分化现象的机理研究已成为目前重要的研究热点之一。本文对近年来蜜蜂级型分化机理方面的研究进展进行了综述。国内外很多学者从营养、激素、基因表达、蛋白质和表观遗传等方面对蜜蜂级型分化机理进行了研究。蜂王浆中富含的57 kDa、蜂王幼虫期充足的食物量以及蜂王幼虫期高滴度的保幼激素(JH)和蜕皮激素(MA)等都可促进蜂王卵巢的发育以及诱导蜂王表型产生;而工蜂浆中富含的双香豆酸可诱使工蜂表型的产生。近年研究表明,表皮生长因子受体(Egfr)、胰岛素受体底物基因(Irs)、雷帕霉素基因(Tor)和甲基转移酶3(Dnmt3)等基因均可影响蜂王和工蜂的分化;蛋白质表达谱分析表明,不同时间点的蜂王幼虫和工蜂幼虫表达的差异蛋白质很多;表观遗传分析表明,DNA甲基化、microRNAs以及组蛋白乙酰化均是导致蜂王和工蜂级型分化的因素。此外,发育空间和蜂王浆均可通过调控基因的DNA甲基化水平影响蜜蜂幼虫的级型分化。     

赖氨酸乙酰化调控细胞代谢的机制

赖氨酸乙酰化是一种重要的翻译后修饰。细胞内的蛋白质,特别是代谢酶,广泛受乙酰化修饰的调控。乙酰化修饰由乙酰化酶和去乙酰化酶调节,对细胞的物质代谢和能量稳态进行多层次、复杂而又精细的调控。乙酰化酶和去乙酰化酶活性的发挥依赖中间代谢产物,且多种代谢物能够调控乙酰化酶和去乙酰化酶的催化活力。因此,乙酰化修饰是调控细胞代谢的重要机制。此外,乙酰化修饰能够调节自噬和营养物质感受通路,从而调控细胞的物质和能量稳态;乙酰化修饰对组蛋白的调节则能根据细胞的营养状态在表观遗传水平改变基因的表达,使细胞高效地应对不同的营养和压力状态。乙酰化修饰与代谢相关疾病的发生发展具有重要联系,对乙酰化调控的研究将极大增进人们对细胞代谢、表观遗传等生命活动的认识。     

昆虫变态发育的激素和营养调控研究进展与展望

变态发育是促进昆虫进化和多样性形成的重要因素之一。昆虫变态发育主要受到蜕皮激素和保幼激素的协同调控,通过信号通路诱导下游基因表达,保证蜕皮、组织重塑等生理过程的正确发生。除内在激素外,外在营养物质亦可通过营养信号影响激素信号进而控制变态发育进程。本文主要综述了近十年来我国科研工作者在昆虫变态发育的激素和营养调控机制研究方面所取得的突出成果,并对未来潜在的研究方向进行了展望,以期对我国的害虫防治和益虫利用研究提供理论指导。     

Hormonal and nutritional regulation of insect fat body development and function

The insect fat body is an organ analogue to vertebrate adipose tissue and liver and functions as a major organ for nutrient storage and energy metabolism. Similar to other larval organs, fat body undergoes a developmental “remodeling” process during the period of insect metamorphosis, with the massive destruction of obsolete larval tissues by programmed cell death and the simultaneous growth and differentiation of adult tissues from small clusters of progenitor cells. Genetic ablation of Drosophila fat body cells during larval‐pupal transition results in lethality at the late pupal stage and changes sizes of other larval organs indicating that fat body is the center for pupal development and adult formation. Fat body development and function are largely regulated by several hormonal (i.e. insulin and ecdysteroids) and nutritional signals, including oncogenes and tumor suppressors in these pathways. Combining silkworm physiology with fruitfly genetics might provide a valuable system to understand the mystery of hormonal regulation of insect fat body development and function. © 2009 Wiley Periodicals, Inc.     

蜜蜂卵黄原蛋白的作用

卵黄蛋白不仅为胚胎发生提供营养物质,它在生物体内还具有其他的生物学功能。昆虫卵黄蛋白是昆虫卵内的营养储备,它的前体主要来源于脂肪体的雌性特异血蛋白——卵黄原蛋白(Vg),它是近年来昆虫生理学和生化学最活跃的领域之一,文章介绍蜜蜂卵黄原蛋白在蜜蜂生殖过程中的作用,以及与蜜蜂社会性生活及寿命的关系。     

蜜蜂——新兴的模式生物

蜜蜂作为具有重要经济价值和生态价值的社会性昆虫, 在诸如神经生物学和社会生物学等研究领域也具有很高的模型价值。蜜蜂基因组工程为深入认识蜜蜂的生物学特点,进一步发挥其在多个研究领域的模型价值奠定了分子基础。本文基于蜜蜂的生物学特点,介绍了蜜蜂作为模式生物所具备的优势,及其在学习和记忆、劳动分工、级型分化、免疫等热点领域的研究价值。通过总结和展望国内外蜜蜂生物学研究形势,呼吁国内相关各学科开展合作研究。     

Molecular cloning and characterization of a lipase from the honeybee Apis mellifera

Lipids perform essential and important functions, such as serving as an energy source for growth, development, reproduction, flight, starvation, and diapause in insects. Lipases are key enzymes involving in lipid metabolism and have been reported in several insect species. However, the molecular characterization of the pancreatic triacylglycerol lipase-like genes in honeybees has not been elucidated. Here, we describe the cDNA cloning and characterization of lipase from the honeybee Apis mellifera (Am-Lipase). Am-Lipase consists of 321 amino acids, including a Ser-Glu-His catalytic triad and a consensus active site motif GXSXG. Recombinant Am-Lipase protein degrades triglycerides, preferentially catalyzing the hydrolysis of long-chain fatty acids. Furthermore, the expression pattern of Am-Lipase seems to be a fat body-specific lipase, shows higher expression in forager bees, and is decreased under starvation conditions. Thus, our results suggest that Am-Lipase plays a role in the utilization of lipids stored in the fat body for lipid metabolism.     

蜜蜂群内生殖分工体系的形成及其维持

本文对蜜蜂群内生殖分工体系的形成及其维持机制进行综述。蜜蜂群体具有完善的劳动分工(包括生殖分工)体系,蜂王垄断生殖权力,而工蜂生殖器官发育不完全,在蜂王信息素和幼虫信息素的作用下产卵受到抑制。蜂王的多雄交配机制降低了群内个体间的亲缘关系,但也促进了工蜂间相互监督机制的形成。工蜂间的相互监督,结合蜂王和幼虫信息素对工蜂卵巢发育的影响,解决了蜂王与工蜂、工蜂与工蜂间的生殖利益冲突,保障了蜂群内的生殖分工体系,提高了群体效率,维护了蜂群的真社会性。     

蜜蜂体内王浆主蛋白基因mrjp9的转录表达研究

蜜蜂体内有9种王浆蛋白基因(major royal jelly protein,MRJPs1～9),其中MRJPs1～5在蜂王浆中含量较高,是蜂王浆生物学功能的基础。MRJPs6～9在王浆中没有或含量极少,且功能未知。为研究非王浆蛋白组分的MRJP9的生物学功能,本研究用RT-PCR的方法对意大利蜜蜂Apis mellifera ligustica Spinola不同组织,不同部位,不同级型样本中mrjp9的转录水平进行检测和定量。结果发现mrjp9在蜜蜂的幼虫、蛹和成年蜜蜂的各组织部位均广泛转录表达,但其在幼虫、蛹和刚出房的成年蜜蜂体内表达水平较低,而在成年采集蜂体内表达水平则较高,其表达与蜜蜂的发育时期有关。通过对在成年蜜蜂体内各组织部位的表达水平进行检测的结果显示该基因主要在蜜蜂的头、胸和王浆腺等组织部位的表达较高,其他组织部位表达较少。此外,该基因也在雄蜂和蜂王体内广泛表达,不受蜜蜂性别和级型的影响。这些结果说明mrjp9是一与蜜蜂发育有关的基因,可能与蜜蜂的行为发育和分工调控有关。     

蜜蜂肠道微生物与其社会性的关系

蜜蜂是一种典型的营群居生活的社会性昆虫,相比独居生活的昆虫,其肠道微生物具有独特的区系结构。这种独特肠道微生物与其社会性之间的关系是一个重要的科学问题。现有研究显示,蜜蜂肠道的优势菌包括9大类群。消化道不同区段的优势菌种类和丰度存在差异。主要表现为前肠种类少、丰度低、后肠种类多、数量大,占了全消化道微生物的99%以上。不同社会分工的蜜蜂肠道微生物区系结构存在差异,肠道微生物会通过影响胰岛素信号的传导、保幼激素和卵黄原蛋白的合成以及蜜蜂抗氧化应激的能力等对蜜蜂的级型分化、社会分工、摄食行为及寿命长短产生调节作用。除此之外,蜜蜂肠道微生物还具有激活免疫、抑制病原菌生长、降解食物、促进养分吸收、解毒、发酵蜂蜜和蜂粮等作用。主要针对蜜蜂肠道微生物的基本特征及其与蜜蜂社会性的关系作一简要综述。     

Termite queens have disproportionately more DNA in their fat body cells: reproductive division of labor and endoreduplication

Increases in DNA content caused by endoreduplication are widely observed in the metabolically active tissues of plants and animals. During egg production, insect females synthesize very large amounts of vitellogenin in their fat bodies, and female fat bodies of some insects become polyploid to accelerate vitellogenin production. Social insects have developed reproductive division of labor, wherein queens lay most of the eggs while other individuals have reduced fertility and undertake tasks required for maintaining the colony. Therefore, only queens are engaged in vitellogenin synthesis for egg production in social insects. Here, we show that termite queens have disproportionately more DNA in their fat body cells. Our DNA content analysis using flow cytometry demonstrated that more cells contained 4C‐DNA than 2C‐DNA in the fat bodies of Reticulitermes speratus queens. This high level of endoreduplication was not found in the fat body cells of other castes. This caste‐dependent doubling of DNA content in fat body cells suggests that termites exploit endoreduplication to boost egg production, in conjunction with the development of reproductive division of labor. This study highlights nuclear polyploidization as an adaptive strategy in social insects.