昆虫脂动激素及其受体调控能量动态平衡的研究概述＊

解鸿青，李聪慧，崔诗遥，但彩云，屠振力，时连根

（浙江大学动物科学学院，浙江 杭州 310058）

昆虫为开放式的循环系统，血液在体内循环时只有一段通过背血管，其余均在体腔内开放流动，而所有组织器官都浸浴于血液中，组织器官和细胞可以直接与血液进行物质交换。昆虫的主要能量（蛋白质、脂质和碳水化合物）由从饲料中摄取的各种营养物质在脂肪体中合成和储存，当昆虫迁移飞翔、繁殖、生长发育等的时候，又从脂肪体源源不断地释放出能量，并通过循环的血液带给翅膀、卵巢等相应的组织器官，昆虫的这种能量动态平衡是由脂动激素（Adipokinetic Hormone，AKH）及其受体（脂动激素受体，Adipokinetic Hormone Receptor，AKHR）调控的。为此，AKH/AKHR调控昆虫能量动态平衡的作用机制研究受到国内外学者的广泛关注，其研究取得了积极进展，本文对此研究概况进行了阐述。

1 脂动激素

1.1 脂动激素的发现

脂动激素（AKH）是一类主要由昆虫心侧体合成、储存并释放到血液中的神经肽，此外发现草地贪夜蛾头部、飞行肌、脂肪体、卵巢等部位中也有脂动激素表达［1］。Steele于1961年最早发现美洲大镰心侧体提取物能够提高血液中碳水化合物的含量［2］，后来Mayer等和Beenakkers等又分别于1969年发现蝗虫心侧体提取物能够明显提高血液中的脂类水平［3，4］，说明昆虫心侧体中存在某些能够调节碳水化合物和脂类代谢的激素。直至1976年由Stone等首次从蝗虫中分离并鉴定到了第一个AKH，并阐明了它的氨基酸序列［5］。此后，从各种昆虫中不断分离并鉴定到AKH，至今已从绝大多数昆虫目的70多种昆虫中分离到了50多种AKH。从家蚕中已经分离出3个AKH，第一个AKH（AKH1）由Ishibashi等于1992年分离与鉴定出来，但发现其与受体的结合活性较低，表明家蚕中可能还存在其它种类AKH［6］。此后，又由Roller等和Zhu等分别于2008年和2009年从家蚕中分离到2个AKH（AKH2和AKH3），AKH2活性与AKH1的相似，但AKH3活性较低［7，8］。

1.2 脂动激素的结构特征

AKH一般包含8～10个氨基酸，其结构特征为N末端是焦谷氨酸残基，C末端常发生酰胺化，在第4位和第8位分别是苯丙氨酸（芳香族氨基酸）残基和色氨酸（杂环族氨基酸）残基，若为九肽或十肽，则第9位通常为甘氨酸［9］。在昆虫长期的自然进化过程中，AKH保持着相对的稳定状态，序列保守性高，其序列在部分昆虫间甚至完全一致，如烟草天蛾AKH与家蚕AKH1的氨基酸序列均为pQLTFTSSWGa［6，10］。家蚕AKH1为九肽，其序列为 pQLTFTSSWGa，家蚕AKH2和AKH3均为十肽，其序列分别为pQLTFTPGWGQa和 pQITFSRNWSGa［6～8］。

2 脂动激素受体

2.1 脂动激素受体的克隆

AKH的作用是通过脂动激素受体（AKHR）来介导的，但国内外对AKHR的研究一直比较滞后。最初的研究发现，当昆虫脂肪体与适当浓度的AKH一起孵育时，就会导致肌醇三磷酸（IP3）增加和内质网Ca++库里Ca++离子释放至细胞质中，并且呈现出显著的浓度和时间依赖关系［11］。进一步研究发现，用磷酸脂酶C（PLC）的拮抗剂U-73122，就能部分或完全抑制AKH对PLC的激活活性［12］。直到2002年，才由丹麦哥本哈根大学的Grimmelikhuijzen研究组首先从家蚕和果蝇中克隆了AKHR，并查明AKHR无论结构上还是进化上，均与脊椎动物的促性腺激素释放激素非常接近［13］。后来又分别从美洲大蠊（Periplaneta americana）［28］和按蚊（Anopheles gambiae）中克隆了AKHR［14］。

Huang等采用RT-PCR方法从家蚕蛹脂肪体中克隆出家蚕AKHR基因，检测发现家蚕AKHR定位在细胞膜上，在脂肪体中高水平表达，在表皮、肌肉、马氏管、睾丸和卵巢组织中也有较低水平表达［15］。Shi等采用RT-PCR法又分别从家蚕幼虫睾丸和脑中克隆得到了家蚕AKHR2a和家蚕AKHR2b二个新家蚕AKHR基因，AKHR2a和AKHR2b在睾丸中均有高水平表达，AKHR2a还在脑、表皮、丝腺、卵巢、肠和脂肪体中有较低水平表达，AKHR2b还在脑和卵巢中有较低水平表达，但在脂肪体中检测不到AKHR2b的表达［16］。

2.2 脂动激素受体的结构

AKHR属于有7个跨膜a-螺旋结构组成的G蛋白偶联受体（G Protein Coupled Receptor，GPCR）大家属，是与G蛋白偶联并通过G蛋白传递其信号的。测序分析发现，家蚕AKHR1包含有405个氨基酸残基，AKHR2a包含有418个氨基酸残基，AKHR2b包含有416个氨基酸残基，AKHR2a和AKHR2b与AKHR1的相同氨基酸残基分别达到30.2和30.8%。AKHR的二级结构由胞外区、跨膜区和胞内三部分组成，胞外区包含N端和3段胞外环区，主要负责识别信号分子；跨膜区包含7段跨膜α螺旋，形成整个蛋白的骨架并负责结合配体、传递信号；胞内区包含3段胞内环区、胞内第8根螺旋和羧基端（C端），与G蛋白、GRKs、arrestin等下游效应分子结合以传递信号。

2.3 脂动激素受体的信号转导

AKHR被AKH激活后，通过与G蛋白偶联，调节相关酶活性，在细胞内产生第二信使cAMP积累、Ca2+动员和ERK1/2磷酸化，从而将AKH信号跨膜从胞外传递到胞内，改变细胞的生理活性。给蝗虫注射AKH，引起蝗虫脂肪体中cAMP水平明显增高［17］。用不同浓度家蚕AKH1刺激稳定表达家蚕AKHR-GFP的HEK-293细胞株，能诱导细胞内cAMP含量积累并呈明显的AKH1浓度依赖性，霍乱毒素（CTX）预处理能提高cAMP积累，但百日咳毒素（PTX）预处理对cAMP积没有影响，显示家蚕AKHR中通过与Gs蛋白偶联来激发细胞cAMP水平提高的。

放射性Ca2+实验证明，AKH能够提高脂肪体对培养基中Ca2+的吸收，也提高脂肪体内Ca2+的外流［11］。在家蚕AKH1刺激下，家蚕AKHR通过与Gq蛋白偶联，激发细胞内质网钙库的Ca2+释放到胞质，其Ca2+流增加随刺激的家蚕AKH1浓度增大而增大，呈浓度依赖型。

胞外信号调节激酶（MAPK）途径可调节细胞从增殖分化到凋亡各种不同的进程，GPCRs通过MAPK途径介导细胞生长和分化的过程［18］。ERK1/2是MAPK的重要成员，是胞外信号经受体转到胞内最终实现其生理功能的重要调节因子。家蚕AKHR被AKH1激活后能刺激细胞的ERK1/2磷酸化瞬时增加，其ERK1/2磷酸化被蛋白激酶A（PKA）抑制剂H89、蛋白激酶C（PKC）抑制剂Go6983、胞外Ca2+螯合剂EGTA、胞内Ca2+螯合剂BAPTA-AM、PTX所显著抑制，但PLC抑制剂U73122、PLD抑制剂FIPI、MMP 抑制剂 GM6001、EGFR 抑制剂 AG1478、PI3K抑制剂Wortmanmin、Src抑制剂PP2和β-Arrestin 2基因表达敲低均对ERK1/2磷酸化没有影响，显示家蚕AKHR经cAMP/PKA途径激活ERK1/2系PKA/PKC/Ca2+依赖型和PTX敏感型，β-Arrestins及其它调节蛋白未参与其激活过程。

3 脂动激素/脂动激素受体的调控作用

脂动激素为昆虫体内的重要调控因子，其信号由脂动激素受体转导，脂动激素/脂动激素受体系统除参与调控脂类代谢与糖类平衡外，还可通过抑制脂肪体中蛋白质合成而影响生殖行为，也参与逆境生理与免疫反应等生命活动。

3.1 代谢调控

血糖平衡和脂类代谢对于调控昆虫正常的生命活动非常重要，蝗虫和蛾类在飞行过程中主要利用脂类物质向飞行肌供给能量，蜚蠊和蝇类主要利用糖类物质供给能量［19］。当脂动激素与脂动激素受体结合后，可激活信号转导下游的糖类与脂类代谢调控途径中的关键酶——甘油三酯酶和糖原磷酸化酶。甘油三酯酶将脂肪体内的三酰甘油降解为二酰甘油，二酰甘油进入血淋巴后，在载脂蛋白的作用下被运输至飞行肌，并经酯酶水解为甘油和脂肪酸，其中甘油经底物活化后进入糖酵解途径供能，脂肪酸则与脂肪酸结合蛋白结合后运输至线粒体进行β-氧化释放能量。脂肪体内的糖原在糖原磷酸化酶的作用下生成海藻糖，经血淋巴运输进入飞行肌为飞行活动释放能量［20］。东亚飞蝗的心侧体提取物能显著提高其血淋巴中的脂类水平［21］，被切除心侧体的果蝇的脂类和糖类物质代谢均出现异常，并在行为上表现为活动会明显减少与耐饥饿程度增加，而给果蝇局部注射AKH后，将导致其活动能力明显增加［22，23］。

3.2 生殖调控

昆虫需要在脂肪体内积累大量的脂类、糖类、蛋白等能源物质为生殖产卵做准备。AKH/AKHR抑制这些能源物质在脂肪体内的储存，还抑制卵黄原蛋白的合成，从而对昆虫生殖产卵起到调控作用。用AKH处理雌蟋蟀，可导致卵粒小且产卵数量减少［24］。但目前还没有足够的证据将AKH/AKHR单纯看作是昆虫生殖的抑制剂，因为有关AKH/AKHR调控昆虫生殖的机制还不清楚。

3.3 逆境生理调控

AKH/AKHR在昆虫逆境生理中具有保护作用，敲除果蝇AKH基因，使果蝇更易于遭受氧化性应激反应的损害［25］。如提高蝗虫AKH浓度，则可以通过提高血淋巴中的谷胱甘肽水平及减少蛋白羰基化作用，来增强蝗虫的抗氧化剂的保护，从而减少相应氧化性应激反应的损伤［26］。

3.4 免疫力调控

AKH/AKHR在调控昆虫免疫力方面也起着重要的作用。给蝗虫体内同时注射AKH和脂多糖，能激活酚氧化酶系统，并提高免疫结构的形成，产生典型的细胞和体液免疫应答反应［27］。然而，给蟋蟀注射AKH，却使血淋巴中的载脂蛋白Ⅲ水平降低，导致免疫反应的抑制［28］。为此，AKH可能是一个双向调控因子，既有提高免疫力的作用，也有抑制免疫力的作用，具体产生怎样的作用由昆虫种类及其免疫状态来决定。

3.5 化学农药毒力调控

氯菊酯可显著提高始红蝽血淋巴内的脂动激素滴度，马拉硫磷处理后的始红蝽也出现了类似的结果，表明脂动激素可能参与了化学农药诱发的相关应答机制［29］。当马拉硫磷与脂动激素混合后处理始红蝽，可显著增加其死亡率，并发现呼吸代谢产物CO2总量明显升高［30］，这也在氯菊酯与脂动激素的混合处理试验中得到了证实。杀虫剂毒力增强的原因在于脂动激素加速了昆虫的代谢活动，同时也利于杀虫剂渗透扩散到昆虫的各个组织。由此可见，脂动激素不仅参与调控昆虫的能源代谢活动、生理生化活动，而且在害虫防治中也具有潜在的应用价值。