家蚕Hox基因研究进展

Hox基因（homeobox genes）在昆虫躯体模式（body plan）的发育调控机制中扮演着重要角色,其表达具有严格的组织特异性和胚胎发育的程序性。家蚕Bombyx mori作为鳞翅目昆虫的代表,其Hox基因也陆续得到鉴定。在家蚕中存在一个拟复等位基因群--E群基因,其突变表型均与过剩斑纹和过剩附肢有关,这可能与Hox基因有着密切联系。家蚕全基因组测序完成后,发现其Hox基因簇中存在12个特有的homeobox基因（Bmshx1~Bmshx12）, 说明家蚕Hox基因可能具有独特的生物学意义。我们还利用家蚕基因芯片数据分析了Bmlab与Bmpb基因的组织表达特征。通过对家蚕Hox基因的研究,探索家蚕躯体模式建立机制,可望为解析其他鳞翅目昆虫的躯体模式的建立机制提供理论依据。本文就家蚕Hox基因的表达、功能及其与E群突变的关系等方面进行了综述。     

C-型咽侧体抑制素(AST-C)和促前胸腺激素释放激素(PTTH)基因在家蚕脑组织中的时空表达分析

【目的】咽侧体抑制素在昆虫体内具有重要的调控功能。本研究比较了家蚕Bombyx mori C-型咽侧体抑制素(allatostatin C,AST-C)与促前胸腺激素释放激素(prothoracicotropic hormone,PTTH)基因在不同发育阶段家蚕脑组织中转录表达的模式及其在脑组织的表达定位,以期为家蚕AST-C的功能研究提供重要的线索。【方法】利用脑组织芯片数据分析比较AST-C和PTTH基因在家蚕脑组织中的发育表达特征,RT-PCR验证其芯片数据,分析AST-C在不同发育阶段家蚕中枢神经系统中的表达模式,并用全组织包埋原位杂交技术对AST-C和PTTH在脑组织的表达进行定位。【结果】AST-C和PTTH在不同发育阶段家蚕脑组织中有相似的转录表达模式,且都在脑组织外侧一对神经分泌细胞中表达。【结论】AST-C可能与PTTH以相同的转录表达模式共同参与家蚕的变态发育调控。     

本期重点推介

家蚕Bombyxmori的全基因组测序完成后,鉴定和分析其组成基因在家蚕体内的生物学功能及表达谱成为当前的研究热点。通过针对家蚕单个基因大量研究的开展和积累,以及在此基础上开展的多基因功能综合研究,将有可能彻底揭开家蚕的生命之     

转基因家蚕的研究进展及应用前景

转基因家蚕Bombyx mori是指利用分子生物学手段,将外源基因转移到家蚕染色体中, 使之出现先前不具有的性状和产物,并且可以保持传代,在个体水平可以体现外源基因的功能,使外源基因获得大量表达。目前转基因家蚕研究主要以piggyBac转座系统为常用载体, 绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP)基因为常用报告基因,经显微注射法获得转基因家蚕的成功率可达40%。通过转基因家蚕技术已经探明了家蚕外源导入核受体基因BmFtz-F1,调控家蚕体壁半透明的BmBLOS2基因、蜕皮启动激素(ecdysis-triggering hormone, ETH)基因以及家蚕抗菌肽CecB(cecropin B)基因的功能;获得了具有高品质、高细纤度、高拉伸强度和高弹性丝品种,能吐带绿色荧光或粉红色荧光的蚕丝品种, 抗家蚕核型多角体病毒(Bombyx mori nucleopolyhedrovirus, BmNPV)品种及抗藤黄微球菌的品种;成功表达纯化了人的Ⅲ型前胶原蛋白、 人碱性纤维生长因子、人血清蛋白、人脑源性神经营养因子、人胰岛素生长因子Ⅰ、猫干扰素、单克隆抗体等生物活性蛋白、疫苗及特殊的生物材料。随着家蚕转基因技术的深入研究, 转基因家蚕产物将在国防、 军工、 航天、 医药等方面有着更为广阔的应用前景。     

家蚕Caspase家族基因 BmCaspase-X 的克隆与功能分析

【目的】本研究旨在克隆获得家蚕 Bombyx mori Caspase家族基因,并通过RNAi技术初步分析其在家蚕细胞水平细胞凋亡中的功能。【方法】 用cDNA末端快速扩增方法（rapid amplification of cDNA ends, RACE）克隆家蚕Caspase家族一个新基因,用RNAi和流式细胞术初步分析该基因在家蚕细胞凋亡中的功能。【结果】将克隆获得的家蚕Caspase家族基因命名为 BmCaspase-X,其全长为2 105 bp,开放阅读框长为1 494 bp,编码497 aa,分子量为57.8 kDa,等电点为5.29。BmCaspase-X含有Caspase特有的结构位点。系统进化分析表明,BmCaspase-X与家蚕ICE同其他昆虫Caspase-4同源物先聚在一起,再与具有长前体结构域的昆虫其他因子聚为一类。RNAi初步结果显示该基因干扰后没有出现明显的细胞凋亡。【结论】BmCaspase-X具有典型Caspase特征,属于Caspase家族成员。目前RNAi实验结果表明 BmCaspase-X 未能引起家蚕细胞凋亡的改变。本文为进一步研究该基因的功能奠定基础。     

家蚕Fox转录因子在精巢中的表达特征及BmFoxL2在精巢发育中的功能初探

Fox家族蛋白广泛存在于植物以外的物种中,是一类与发育相关的重要转录因子.但是不同Fox基因在鳞翅目昆虫家蚕Bombyx mori精巢中的表达特征,以及BmFoxL2亚家族蛋白在精巢发育中的功能未知.本文检测了家蚕12个BmFox基因在家蚕精巢中的表达量,发现BmFoxL2-2的表达量最高,BmFoxL2-1次之.Bm...     

本期重点推介

<正>家蚕Bombyx mori是重要的经济昆虫,也是重要的鳞翅目模式昆虫,研究家蚕中转录因子及其调控元件,可为阐明家蚕功能基因的调控机制、开发特异基因启动子奠定基础,进而能为家蚕生物反应器和鳞翅目害虫防治等提供有价值的参考。西南大学家蚕基因组生物学国家重点实验室顾健健和林英等在已报道的能在家蚕细胞中稳定表达且基本不含上游转录调控元件的BmVgP78M启动子的基础上,通过PCR技术在其上游添加一定长度的间隔序列和能够应答20-羟基蜕皮激素(20E)且增强启动子活性的BrC-Z2转录因子结合基序(BrC-Z2E),通过基因克隆技术构建细胞转染载体,通过细胞转染技术和双荧光素酶报告基因系统检测启动子     

家蚕BmRpt4基因在翅膀发育中的功能研究

【目的】研究分析编码蛋白酶体调控复合物亚基基因BmRpt4(Regulatoryparticletriple-A ATPase4,BGIBMGA010794)在家蚕翅膀发育过程中的功能。【方法】利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术,将BmRpt4的gRNAs和Cas9mRNA直接注射到家蚕胚胎中,观察G0代家蚕个体雏翅率,并分析雏翅个体中BmRpt4基因突变情况。【结果】经统计,对照组G0代家蚕个体均表现为正常翅,而实验组注射BmRpt4的gRNAs和Cas9 mRNA后,G0代约66.7%家蚕个体表现出小翅表型。在分子水平上对小翅表型个体进行检测,发现BmRpt4基因在两个gRNA及其之间位置均有不同长度片段的缺失或者插入,说明在这些突变个体中BmRpt4基因被不同程度的敲除,从而其功能缺失,导致出现小翅表型。【结论】该研究结果表明编码蛋白酶体调控亚基的BmRpt4基因在家蚕翅膀发育中具有重要作用,为蛋白酶体在生物组织器官发育中调控作用研究提供重要实验依据。     

我国科学家在家蚕基因组研究中取得重大成果

由西南农业大学与中科院北京基因组研究所合作的研究论文“家蚕基因组框架图”在近日出版的SCIENCE(306卷5703期)上发表。研究人员在基因组框架图的基础上,通过对家蚕的DNA信息进行分析,共获得了18510个基因,其中97％为新发现的基因,在发现的基因中,有五大类重要功能基因对蚕业发展至关重要。83个基因(包括41个母性基因)参与生长和发育调控;     

家蚕Bmyan基因的克隆表达和作为microRNA 7靶基因的验证

microRNAs(miRNAs)是一类长约22 nt的非编码RNA,通过与其靶基因3′端非翻译区(3′-UTR)的结合来调节各项生命活动。克隆表达家蚕Bmyan基因,验证其是否是bmo-miR-7的靶基因对于深入研究家蚕变态发育机制有重要意义。基于同源性检索和PCR扩增,克隆了家蚕Bmyan基因CDS全长,编码476个氨基酸。序列分析表明,家蚕YAN蛋白的氨基酸序列保守,含SAM-PNT和ETs结构域。芯片数据、RT-PCR和定量PCR的检测结果表明,Bmyan在五龄3 d的家蚕头部、体壁、卵巢中高量表达,在其余组织中低量表达或不表达。在幼虫期,Bmyan表达水平相对较低,但在上蔟期和蛹期前4 d高量表达。通过3′RACE克隆了Bmyan基因的3′-UTR。RNAhybrid在线软件预测了其3'-UTR上bmo-miR-7的两个靶位点。构建了含有Bmyan基因3′-UTR和荧光素酶报告基因的转染载体,将该载体与bmo-miR-7的mimics序列共转染到家蚕胚胎细胞系BmE中,通过测定荧光素酶的活性,证明了Bmyan基因是bmo-miR-7的靶基因。本研究为进一步揭示bmo-miR-7和Bmyan在家蚕体内的生物学功能奠定了基础。     

家蚕胚胎期重力相关基因的抑制消减杂交分析

目的：筛选家蚕胚胎期重力相关基因。方法：对模拟失重与正常重力条件下的家蚕胚胎cDNA进行抑制消减杂交（Suppression subtractive hybridization,SSH）,并对模拟失重过程中家蚕胚胎期表达发生变化的基因进行克隆、测序及同源性分析。结果：获得了34个与重力有关的序列标签。在模拟失重条件下有16个基因表达上调,其中15个为未知基因,1个为已知基因,其作用是维持mRNA的稳定性。在模拟失重条件下有18个基因表达下调,其中4个为未知基因,6个为蛋白合成相关基因,3个为基因组contig基因,5个为家蚕est库中功能未知基因。结论：模拟失重环境影响了家蚕胚胎发育期与mRNA稳定性和蛋白质合成相关基因的表达。     

家蚕ABP与ABPX基因定位与表达分析

气味结合蛋白（odorant binding proteins, OBPs）在昆虫与外界环境化学信息交流过程中起着重要作用, 对昆虫的觅食、 求偶、 繁殖具有重要意义。触角结合蛋白（antennal binding protein, ABP）是OBP家族中的重要成员之一。为进一步探明家蚕Bombyx mori ABP与ABPX基因的结构、 表达及功能, 本研究利用染色体定位、 基因分析及半定量表达分析方法对其进行了研究。染色体定位分析表明, BmABP和BmABPX分别位于家蚕第5和第26染色体上, 基因结构差异较大, 可能功能上有较大差异。对家蚕胚胎、 幼虫和成虫不同发育阶段的雌、 雄虫多种组织进行基因表达谱分析发现, BmABP在家蚕发育的各个虫态、 多种组织器官中都有较高表达, 无时间特异性和组织特异性; BmABPX在不同发育时期和不同组织间差异显著（P<0.05）, 相对表达量以触角中最高, 其他非嗅觉组织中也多有表达, 性别间差异不大。结果提示, BmABP和BmABPX除了具有嗅觉相关功能外, 很可能还具有其他未知的生理功能。     

家蚕瘫痪肽结合蛋白基因克隆与分析

ENF肽家族具有保守的N末端结构（Glu—Asn—Phe-）。该家族成员肽大多具有重叠功能活性,在鳞翅目昆虫的免疫反应,生长调控和自体调节等方面都发挥着重要的作用。在昆虫的免疫反应中,血细胞尤其是淋巴液的黏附性是针对外来侵入物的免疫应答过程中的重要因素。家蚕瘫痪肽（paralytic peptide）是ENF肽家族的一种,其具有多种的生物学活性,包括致瘫痪性及在家蚕血细胞免疫反应中的促吞噬细胞扩散活性。ENF肽家族的另一成员,粘虫（Pseudaletia separata）的生长阻抑肽（Growth-blocking peptide）,同家蚕瘫痪肽一样能够在粘虫的血细胞免疫反应中起到调节吞噬细胞的功能。目前,关于昆虫细胞免疫应答的终端调控分子机制的研究还比较少,有文献报道粘虫的生长阻抑肽结合蛋白（GBP—BP）能够起到沉默生长阻抑肽活性的功能,从而可能参与调节细胞免疫应答的终端调控。在本研究中,利用荧光差异显示技术（FDD）分析了家蚕感染BmNPV病毒后基因表达差异情况,在血淋巴中获得了一条差异条带G12782＊通过5＇-RACE技术,首次在家蚕中克隆得到了该基因的全长cDNA序列。通过同源性分析得知,该基因所编码的蛋白质与粘虫的生长阻抑肽结合蛋白具有很大的同源性,并被命名为家蚕瘫痪肽结合蛋白（Bmori paralytic peptide binding protein,PP-BP）。通过RT-PCR研究发现,该蛋白基因在血淋巴中大量表达。同时,利用实时荧光定量PCR（Real-time quantitative PCR）技术分析了该基因在正常饲养家蚕与添食BmNPV病毒的家蚕中的表达差异,结果显示该基因在家蚕添食BmNPV病毒后的表达量大大增强,这就暗示该基因可能与BmNPV病毒刺激后所引起的家蚕血液细胞免疫反应相关。利用生物信息学方法对该基因的结构进行了分析,发现该基因具有两个外显子和一个内含子。这个基因已经登入GenBank数据库,收入号为DQ306881。     

转录因子ZnF-706在鳞翅目昆虫中的进化格局及在家蚕中的功能

【目的】探讨家蚕Bombyx mori的潜在驯化基因——转录因子ZnF-706在鳞翅目(Lepidoptera)昆虫进化过程及家蚕驯化过程中的分子进化格局;并基于CRISPR/Cas9家蚕基因组编辑平台,探讨ZnF-706基因在家蚕中的功能。【方法】首先分析了家蚕ZnF-706序列特征,并利用已发表芯片数据调研该基因在家蚕幼虫组织中的表达格局;利用Phylogenetic Analysis byMaximum Likelihood (PAML)分支检验方法,分析该基因在鳞翅目不同类群中的分子进化格局。基于已发表的家蚕-野桑蚕Bombyx mandarina群体基因组多态性数据,对ZnF-706进行基因区域人工选择信号分析;对ZnF-706基因上游2 kb的调控区域进行单核苷酸多态性位点频率检测,发掘在家蚕群体中固定下来的突变位点;针对突变位点所在区域进行转录因子结合活性预测。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术敲除ZnF-706基因,获得纯和突变体;以野生型家蚕为对照,检测突变体的茧重及蛹重变化。【结果】家蚕ZnF-706的编码蛋白具有典型的锌指蛋白结构域。ZnF-706在家蚕5龄第3天幼虫各组织中广泛表达,尤其表皮、脂肪体和生殖腺中有很高的表达量;该基因在鳞翅目、蚕蛾总科(Bombycoidea)及天蚕Antherea yamamai 3个分支中均呈现快速进化信号,在家蚕中有强烈的人工选择信号。该基因所在基因组区域的家蚕-野桑蚕种群分歧度参数Fst明显升高,家蚕群体中的群体多样性π明显降低,表明它位于一个选择扫荡区域内;该基因在家蚕-野桑蚕中的9个SNP位点存在于上游调控区,并位于转录因子结合活性区域内。该基因的纯合家蚕突变体ΔZn F-706生存力减弱,并且茧重以及蛹重与野生型家蚕相比都显著降低。但与黑腹果蝇Drosophila melanogaster中不同的是,家蚕中该基因的突变并不致死。【结论】ZnF-706可能在鳞翅目尤其是泌丝昆虫中进化,并在家蚕驯化过程中受到选择压力,提示其对于特征性状茧丝的变异可能发挥作用。该基因可能通过对丝蛋白基因的直接调控,或通过影响家蚕的生长发育而间接地影响茧丝性状。本研究不仅为探究家养动物人工选择机制提供了来自昆虫类材料的独有证据,也为后续深入开展家蚕重要经济性状的转录调控研究提供线索。     

家蚕凋亡相关基因研究进展

细胞凋亡指细胞受基因调控的自主的细胞死亡过程,是细胞为维持内环境稳态的一种手段。家蚕Bombyx mori是重要的鳞翅目模式昆虫,对其细胞凋亡机制的研究具有代表性。家蚕细胞凋亡不仅参与了整个变态发育过程,而且在家蚕天然免疫反应中扮演着重要角色。在家蚕卵-幼虫-蛹-成虫各阶段通过凋亡基因的调控促进组织退化及冗余细胞的清除,并且在家蚕抗家蚕核型多角体病毒(Bm NPV)过程中,细胞凋亡的发生对Bm NPV增殖的抑制也有着重要作用。本文就近年来家蚕细胞凋亡诱导因素、细胞凋亡相关基因的研究现状及通路和细胞凋亡对家蚕发育影响的研究进展进行综述,为解决目前家蚕细胞凋亡机制研究不足、内质网通路涉猎少、各通路间联系不清晰等问题,以及深入研究家蚕细胞凋亡并解析家蚕变态发育机制和天然免疫反应提供参考。     

家蚕氨酰-tRNA合成酶基因分析

为了探讨家蚕氨酰-tRNA合成酶(BmaaRS)基因的数目、种类、结构及起源, 利用家蚕基因组数据和EST数据进行了BmaaRS基因的电子克隆, 结果表明, 家蚕核基因组中含有2套不同的aaRS核基因, 分别编码线粒体和细胞质BmaaRS, 但编码线粒体BmSerRS的基因有2个, 可能缺少编码细胞质的BmHisRS基因和编码线粒体的BmGlnRS、BmLysRS、BmGlyRS和BmThrRS基因, 这些基因的功能可能由具有相似功能的其他蛋白完成, 或通过某个BmaaRS基因的可变剪接分别形成不同功能的BmaaRS。EST证据表明, BmaaRS基因存在不同形式的可变剪接; BmaaRS氨基酸序列的相似性及二、三级结构分析表明部分BmaaRS存在结构域的扩增, 有些不同的BmaaRS具有相同结构域, 相同功能的BmaaRS具有相似的三级结构; 进化分析表明, BmaaRS为2套不同来源的BmaaRS基因编码, 细胞质和线粒体BmaaRS的起源不同。     

家蚕酪氨酸羟化酶基因BmTh的表达及功能

酪氨酸羟化酶作为儿茶酚胺合成的限速酶, 广泛存在于昆虫、哺乳动物和人类中, 是其新陈代谢不可缺少的酶类。在其他昆虫中, 酪氨酸羟化酶参与了黑色素的合成, 并在昆虫外骨骼的硬化过程中发挥关键作用。为了研究家蚕Bombyx mori酪氨酸羟化酶基因的生理生化功能, 本文对其基因结构、表达特征及功能进行了研究。基于家蚕基因组和基因芯片数据的生物信息学分析表明, BmTh位于家蚕1号染色体上, 含有8个外显子, 编码561个氨基酸。基因芯片数据显示在家蚕5龄第3天的头部和体壁组织中的表达量较高, RT-PCR验证结果与此一致。利用石蜡组织切片材料和RNA探针对BmTh进行表达定位, 原位杂交结果显示在家蚕头部边缘和体壁上有明显的杂交信号。在幼虫发育至熟蚕时注射酪氨酸羟化酶抑制剂3-indole-L-tyrosine （3-IT）, 20 mmol/L的浓度对幼虫几乎没有影响, 50 mmol/L的浓度导致幼虫变态不完全和化蛹困难, 100 mmol/L的浓度使幼虫致死且体色变黑。结果提示, BmTh对家蚕变态发育起重要作用, 是家蚕正常发育不可缺少的关键基因。     

家蚕肽聚糖识别蛋白L1参与Imd信号通路

【目的】肽聚糖识别蛋白(peptidoglycan recognition proteins,PGRP)作为一个重要的模式识别受体,在家蚕Bombyx mori的先天免疫中发挥重要的作用。本研究主要探讨家蚕PGRP-L1基因的功能及其所参与的免疫信号通路。【方法】本实验通过RT-PCR扩增获得家蚕PGRP-L1基因。利用微生物诱导实验对5龄起蚕分别注射大肠杆菌Escherichia coli、酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae、枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis和PBS,12 h后取体壁和头部提取RNA,然后采用RT-PCR和凝胶电泳技术测定BmPGRP-L1基因的表达水平;利用RNA干涉实验向5龄起蚕注射PGRP-L1 dsRNA或PBS,6 h后再分别注射3种灭活的微生物或PBS,然后检测家蚕体壁及头部的免疫相关转录因子(Rel,Cactus和Relish)以及家蚕多个抗菌肽(antimicrobial peptides,AMPs)基因(攻击素基因Attacin,Moricin和葛佬素基因Gloverin)的表达情况。【结果】微生物诱导实验显示,注射大肠杆菌的实验组比注射PBS的对照组Bm PGRP-L1基因转录水平显著上调,而注射酿酒酵母和枯草芽孢杆菌的实验组Bm PGRP-L1转录水平没有变化。利用RNAi技术成功敲低Bm PGRP-1表达,对Bm PGRP-L1敲低的5龄起蚕注射灭活的微生物,敲低实验组relish因子表达低于正常对照组,相应地抗菌肽基因的表达也有不同程度的下调。【结论】结果提示,BmPGRP-L1基因参与家蚕对革兰氏阴性菌大肠杆菌的免疫响应;Bm PGRP-L1基因在家蚕的体壁和头中参与Imd信号通路。     

家蚕let-7 microRNA靶基因Bmlin-41的克隆表达与调控

异时性基因调控细胞增殖和个体发育阶段的转换。家蚕异时性基因在家蚕变态发育过程中也很可能具有重要的调控作用,但它们的表达模式、生物学功能以及与micro RNA之间的关系却鲜有报道。本研究首先利用果蝇同源基因lin-41搜索家蚕基因组数据库中相似序列,设计引物扩增Bmlin-41的编码序列,克隆了家蚕Bmlin-41基因CDS,其长度为2 166 bp,编码721个氨基酸,含有B-box和NHL结构域;随后,利用RT-PCR、q PCR技术并结合已有的家蚕全基因组芯片数据研究了Bmlin-41在家蚕中的时空表达模式,发现Bmlin-41在从家蚕胚胎到成虫的发育过程中呈逐渐递增的表达趋势,在五龄3 d不同组织中,于卵巢里表达量最高,精巢和中肠次之,而其余组织中低量表达或不表达;最后,利用3′RACE克隆了Bmlin-41基因的3′UTR,全长1 434 bp,用在线软件RNAhybrid预测发现Bmlin-41的3′UTR上存在bmo-let-7靶位点,构建了含Bmlin-41 3′UTR的双荧光素酶报告基因载体,在S2细胞上共转染Bmlin-41 3′UTR和bmo-let-7的模拟物(Mimics)和拮抗剂(Antagomir),bmo-let-7 mimics显著下调Bmlin-41,bmo-let-7 antagomir显著上调Bmlin-41,证实了Bmlin-41是bmo-let-7的靶基因。以上研究结果为深入研究let-7 mi RNA和Bmlin-41的功能,揭示Bmlin-41和bmo-let-7在家蚕变态发育过程中的调控关系提供了新的线索。