G-蛋白偶联受体在蜕皮激素拮抗胰岛素并促进化蛹中的作用及分子机制

Pupation is an adaptive manner of holometabolous insects to the cold environment variation in winter. Pupation is regulated by insulin and 20-hydroxyecdysone (20E), with insulin promoting cell growth and proliferation, and 20E counteracting insulin activity and promoting apoptosis. In our previous studies, we have demonstrated that G-protein-coupled receptor (GPCR) transmits 20E signal on the cell membrane; 20E promotes the insulin-counteractive gene expression; represses insulin-critical gene expression and protein phosphorylation, however, the molecular mechanism is unclear. Based on these studies, we are going to further study: the role and mechanism of GPCR in 20E promoting insulin-counteractive gene expression, including phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate 3-phosphatase (PTEN) and transcription factor FoxO; the role and mechanism of GPCR in 20E repressing insulin-critical gene expression (including insulin receptor InR, protein kinases Akt,PI3K and PDK）, protein phosphorylation, protein interaction and subcellular localization; mechanism of 20E activating GPCR; the relationship and the signal pathways of the GPCRs that transmit 20E signal. By this study, we are going to demonstrate the mechanism that 20E via GPCRs counteracts insulin function and promotes pupation. The results may demonstrate the function and mechanism of GPCR in 20E signaling and insect pupation, reveal the 20E nongenomic pathway, and present new gene targets for pest control.

化蛹是全变态昆虫在长期进化过程中形成的一种环境适应方式，受胰岛素和蜕皮激素双重调控。我们在前一个国家基金资助下，阐明了G-蛋白偶联受体（GPCR）在细胞膜上传导蜕皮激素（20E）信号，并发现蜕皮激素促进胰岛素途径的拮抗基因表达，抑制胰岛素途径的关键基因表达，但分子机理尚不清楚。本项目拟用棉铃虫为材料继续研究：GPCR在蜕皮激素促进胰岛素拮抗基因(磷酯酰肌醇三磷酸酶PTEN和转录因子FoxO)表达中的作用及分子机理；GPCR在蜕皮激素抑制胰岛素途径关键基因（胰岛素受体InR、蛋白激酶Akt、PI3K和PDK）表达、蛋白质磷酸化、蛋白质互作及亚细胞定位中的作用及分子机理；蜕皮激素激活GPCR的分子机制；以及参与蜕皮激素信号转导的不同的GPCR之间的关系及其激活的信号途径。通过这些研究，阐明蜕皮激素通过GPCR拮抗胰岛素功能并促进昆虫化蛹的分子机理，为害虫控制提供新的重要靶标基因。

化蛹是全变态昆虫在长期进化过程中形成的一种环境适应方式，受胰岛素和蜕皮激素双重调控。虽然已知蜕皮激素拮抗胰岛素功能，但分子机理并不清楚。棉铃虫Helicoverpa armigera（Hübner）属于鳞翅目昆虫，是重要的农业害虫，严重危害棉花、玉米、烟草、番茄等多种农作物。棉铃虫以快速产生农药抗性而著称，对转Bt-晶体蛋白的转基因棉也可产生抗性，迫切需要研发环境友好的害虫控制新技术。本项目以棉铃虫为模型，聚焦研究蜕皮激素的细胞膜受体及其介导的信号转导途径及其关键调控基因，获得一系列研究成果，包括：1）证明了G蛋白偶联受体（GPCR）是蜕皮激素（20-羟基蜕皮酮，20E）的细胞膜受体，并阐明了GPCR介导的20E的信号通路及关键分子。发现蜕皮激素通过诱导GPCR形成同源四聚体传递信号。证明了GPCR可以促进20E进入细胞，提出了GPCR协助类固醇激素扩散的新概念。发现多种GPCR可以传递20E信号，GPCR可以通过结合或不结合20E传递信号。不同的GPCR介导不同的生物学效应，包括促进细胞自噬、凋亡或增殖。2）揭示了蜕皮激素拮抗胰岛素功能的分子机制。发现20E通过GPCR-蜕皮激素核受体-FOXO信号轴上调磷脂酰肌醇3激酶（PIP3K）的P60亚基表达。胰岛素和20E相互对立调节磷酸肌醇依赖性激酶-1的表达从而促进昆虫化蛹。高浓度蜕皮激素通过使胰岛素受体去磷酸化从而抑制胰岛素途径。揭示了昆虫变态发育中维持葡萄糖稳态的分子机制。3）发现了蜕皮激素通过促进一系列基因表达促进变态发育。揭示了组织蛋白酶D促凋亡和促增殖的双重功能在昆虫变态发育的组织重塑中的作用及调控机制。20E以储存依赖的钙离子内流的方式激发细胞钙离子增加从而促进细胞凋亡。蜕皮激素以浓度和时间依赖的方式调控自噬相关基因表达从而促进中肠程序性细胞死亡。这些研究结果阐明了蜕皮激素拮抗胰岛素功能从而促进昆虫化蛹的分子机理，阐明了蜕皮激素GPCR信号转导途径及关键基因，为害虫控制提供了新的理论知识和一系列重要的靶标基因。