钙离子介导昆虫蜕皮激素和保幼激素信号转导的研究进展

李欣，杨劲鹏，孙炜瀚，朱清宇，李兵,2*

（1.苏州大学 苏州医学院，江苏苏州 215123；2.苏州大学蚕桑研究所，江苏苏州 215123）

Ca2+在生物体内广泛分布，调控基因转录、细胞增殖、自噬凋亡和组织分化发育等多种生理活动[1-2]。Ca2+在细胞中主要储存在内质网和线粒体内，参与细胞内激素信号的转导和信息传递，是各种信号转导通路的关键环节。目前，Ca2+在昆虫细胞中的功能是研究热点之一。保幼激素（Juvenile Hormone，JH）和蜕皮激素（20-Hydroxyecdysone，20E）是调节昆虫生命活动的重要激素，对鳞翅目类昆虫幼虫的生长、生殖系统发育以及结茧等过程有显著的调控作用。JH 是一类半萜类化合物，可以延长昆虫幼虫期和维持幼虫特征[3-4]。20E 可以调节昆虫的蜕皮过程，促进幼龄期缩短，被广泛应用于家蚕生产。Ca2+稳态通过20E和JH 调控昆虫的生长发育是近年来的研究热点。

1 Ca2+和Ca2+通道

1.1 Ca2+的功能

Ca2+在植物[5]、昆虫[1]以及哺乳动物[6]的正常生长发育中发挥重要的调控作用，参与生物体多种生理活动的调控，包括基因转录、核孔复合物的调节、细胞增殖、细胞分化、自噬凋亡、受精、突触传递、肌肉收缩和腺体分泌等[1-2]，在昆虫的变态发育中对旧组织凋亡和新组织形成有着重要作用。Ca2+的跨膜通道种类繁多，信号通路复杂，因此Ca2+的转运、稳态和调控过程一直是研究热点。

1.2 Ca2+通道

细胞的Ca2+通道主要有电压门控钙通道（VOC）、受体控制钙通道（ROC）和钙库控制钙通道（SOC）三种类型[1]。VOC 主要分布在兴奋性细胞，分为T 型、N 型、L 型、P/Q 型和R 型[1,7]。ROC 是指通过与受体结合而激活的离子通道。SOC 是指由于细胞内的Ca2+释放而激活细胞膜的Ca2+通道。

2 Ca2+和钙库

细胞内游离钙浓度维持在极低的水平，约为100 nmol/L，细胞外Ca2+浓度为1 ～2 mmol/L[8]，细胞内外Ca2+浓度相差约104倍。内质网的Ca2+浓度维持在0.1 ～1.0 mmol/L[7]。内质网和线粒体是细胞的Ca2+库，在调控各种生理活动中发挥着关键作用。

2.1 内质网

内质网是细胞内重要的细胞器，内部储存着丰富的Ca2+。内质网膜上有两种钙通道蛋白：1,4,5-三磷酸肌醇受体钙通道（IP3Rs）和兰尼碱受体通道（RyRs）；IP3Rs 至少有四种亚型，RyRs 可分为三种亚型[1]。此外，内质网上的钙转运系统还包括内质网钙泵（SERCA）和ER 钙过载激活的Ca2+通道（TMCO1）[7]。

RyRs 的名字来自Ryania属灌木中提取到的天然产物兰尼碱（RyR）。RyRs 参与昆虫肌肉收缩过程，调控内部储存钙的释放。新型杀虫剂氯虫苯甲酰胺（CAP）选择性作用于RyRs，可以诱导内质网中储存的Ca2+释放，引起害虫肌肉调节功能衰弱[7]，从而杀灭害虫。

IP3Rs 属于内质网的钙释放通道家族，游离Ca2+的浓度对IP3Rs 有双向调节作用，低浓度Ca2+促进IP3Rs 活性而高浓度抑制其活性，维持细胞内Ca2+稳态平衡[7]。此外，内质网膜上的IP3Rs 和RyRs 同源，具有高度的结构相似性[9]。

SERCA 分子量为110 kDa，含有两个Ca2+结合位点，是内质网摄取Ca2+的主要途径，通过消耗腺苷三磷酸（ATP）将Ca2+逆浓度梯度转运至内质网中。在杜氏肌营养不良模型（Mdx）小鼠中使用SERCA 变构激活剂（CDN1163）7 周，可增加肌肉力量和性能，并降低肌肉退化率[10]。

TMCO1 是内质网的跨膜蛋白。当出现内质网钙超载时，TMCO1 由单聚体组装成四聚体的通道，促进内质网中Ca2+释放，维持内质网的Ca2+稳态[7]。

2.2 线粒体

线粒体内也储存大量的Ca2+，Ca2+可以通过线粒体钙单向转运体（MCU）、电压依赖性阴离子选择通道、线粒体兰尼碱受体转运体、线粒体通透性过渡孔（MPTP）和线粒体Na+/Ca2+-Li+交换体（NCLX）被线粒体吸收和释放[7,11]，它们共同维持着线粒体内Ca2+的稳态。由于MCU 没有经典的Ca2+结合域，多种辅助亚基与MCU 结合成线粒体Ca2+离子通道，共同完成Ca2+的摄取[7]，相关的辅助亚基有EMRE、MICU1/2/3、MCUR1 和MCUb[11]。

3 昆虫激素

昆虫的内源性激素主要有20E 和JH。20E 可以促进幼虫的生长蜕皮，而JH 可以减缓幼虫生长，维持幼虫特征。昆虫激素以及昆虫激素类似物被广泛应用在生产上，提高了生产效率。

3.1 蜕皮激素

20E 由前胸腺（鳞翅目类）、头胸腺（东亚飞蝗）或环腺（蝇类）分泌[3]，主要调节昆虫的蜕皮过程和成虫的结构分化。在生产上，20E 常用来处理5 龄家蚕，使得蚕体发育整齐，可提高生产效率。在家蚕BmN4细胞系中添加20E 后，此前IncR17454 基因表达被抑制的家蚕lncR17454 和let-7 簇的表达水平均显著升高，表现为蜕皮停滞现象消失[12]。可见蜕皮素信号通路在家蚕的变态发育中发挥重要的调控作用。

3.2 保幼激素

JH 是在昆虫咽侧体通过甲羟戊酸途径合成的一类半萜类化合物，随后分泌进入血淋巴[4]，具有维持幼虫特征和促进性腺的作用[3]。目前，JH 已在昆虫中鉴定出八种类型，分别为JH0、JH I、JH Ⅱ、JH Ⅲ、4-甲基JH I、JHB Ⅲ、JHSB Ⅲ和MF[13]。不同的JH类型在昆虫的不同功能中发挥着各自的作用，NUR ALIAH 等[13]认为，JH Ⅲ在不同昆虫中是最常见的，广泛分布于鳞翅目、双翅目和膜翅目昆虫中。JH 在生产上被用于延长家蚕幼虫期，增加家蚕进食量，从而增加吐丝量和产茧量。同时JH 类似物（JHA）作为“第三代杀虫剂”已使用了近45 年，对病媒控制、阻断幼虫细胞的死亡和延长幼虫期发挥了重要作用[14]。

4 Ca2+介导蜕皮激素信号转导

4.1 20E 基因组调控途径

20E 与蜕皮激素受体（EcR）和超气门蛋白（USP）两个核受体蛋白相互结合形成异源二聚体结合物，在此过程中，EcR 可以直接与20E 结合，而USP 则可以与EcR 直接结合[15]。有研究发现，在果蝇中发现了类固醇受体的分子伴侣（MCH），MCH 协助20E-EcR-USP 复合物获得DNA 结合活性，同时证实了热休克蛋白（Hsp90 和Hsc70）对于复合体的活性维持是必需的[1]。

4.2 20E 非基因组调控途径

20E 还可以与膜受体结合，引起膜内Ca2+浓度快速变化，调控下游的基因转录和蛋白质翻译修饰等一系列生理活动[16]，这个过程被称为20E 的非基因组调控。20E 可以通过G 蛋白偶联受体（GPCR）、磷脂酶C（PLC）、1,4,5-三磷酸肌醇受体（IP3R）和蛋白激酶C（PKC）信号通路来诱导基质相互作用分子（STIM1）的Ser-485 位点磷酸化。其中，STIM1 是内质网上的细胞内钙传感器，对于钙库操纵性钙内流（SOCE）有重要意义[17]。当20E 和GPCR 结合时，PLC 被激活产生三磷酸肌醇（IP3），IP3与内质网上的受体结合将Ca2+从内质网释放到细胞质中。储存钙含量的减少促使STIM1 低聚物的形成，随后STIM1低聚物转移到内质网-质膜结合点，激活SOCE 的关键蛋白Orai，从而诱导Ca2+的流入[17]。

5 Ca2+介导JH 信号转导

在JH 的信号转导途径中，JH 可以结合细胞膜上的JH 核受体，即Met 和Tai 组成的异源二聚体，随后激活PKC 信号通路及Ca2+的信息传递链，从而实现其生物学作用[18]。同时Met-Tai 复合物在JH 反应基因的调控区识别E-box 样序列，导致这些基因的转录激活[19]。

JH 除了基因组调控途径外，还可以通过其他非基因组信号转导通路对昆虫生命活动进行调控[18]。在非基因调控信号通路上，JH 可通过某种未知的膜受体调控IP3、二酯酰甘油（DAG）和胞内Ca2+水平，并激活下游的PKC 和钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ（CaMK Ⅱ），导致Met 和Tai 的磷酸化[19]，从而完成信号转导并调控昆虫各项生命活动。Ca2+作为PKC信号通路上关键的一环，在IP3与内质网的受体结合后，内质网中贮存的Ca2+大量流出，参与信号转导并且影响下游通路相关分子水平，介导JH 非基因组调控途径。

有研究者对新出生蚊的腹部组织进行体外培养，在新出现的雌蚊中，RNA 干扰技术（RNAi）介导的PLC 或CaMK Ⅱ的缺失显著降低了JH 反应基因的表达，PLC 通路的激活导致Met-Tai 复合物与JH 响应元件（JHREs）的结合增强[19]。表明JH 的基因组调控和非基因组调控存在相互作用，两种调节机制相互影响和补充。

6 问题与展望

Ca2+广泛分布于哺乳动物和昆虫体内，是重要的信号分子，也作为重要离子组分维持机体正常的电生理状态。作为细胞的Ca2+库，内质网和线粒体储存着大量Ca2+，依赖内质网和线粒体上的钙离子通道控制Ca2+的释放和进入。同时，20E 和JH 是调节昆虫变态发育的重要激素，具有包括基因组调控途径和非基因组调控途径在内的多种信号调节通路，上述信号通路均与Ca2+关系密切。

目前，Ca2+相关研究热点包括哺乳动物心肌电生理相关领域、昆虫激素和昆虫胞内Ca2+调控等领域，但仍有一些问题尚不清楚，比如JH 的基因组调控和非基因组调控之间具体的相互作用机制，泌丝昆虫丝腺细胞程序性死亡（PCD）过程中Ca2+介导的细胞凋亡和自噬的信号通路机制等。Ca2+在体内的分布对维持细胞生理活动至关重要，在信号转导通路上任何一个环节出现问题都会导致严重的后果。系统详实地阐明Ca2+对JH 和20E 信号转导的调控作用，可以从分子层面阐述哺乳动物与昆虫的信号转导在进化上的差异，为动物组织器官PCD 过程中Ca2+介导的具体分子机制提供参考。