GPDH琥珀酰化修饰对粘虫趋光应激飞行能量代谢的调控机制

Insect phototactic behavior is a kind of flight behavior under light stress. It is a kind of strenuous movement and high-speed energy-consuming activities. It requires high-speed work of energy metabolism system to meet the response of light stress and the requirement of flight muscle power supply. In order to adapt to the physiological and biochemical requirements of certain high-speed energy-consuming activities, insects have evolved a unique mechanism of the glycerophosphate shuttle (G-3-P) cycle in energy metabolism. The G-3-P cycle regulated by GPDH is the key to maintaining high-speed muscle glycolysis in insect flight. Succinylation modifies the catalytic activity of key enzymes in energy metabolism. Previous studies by applicants found that the key enzyme GPDH succinylation level in the G-3-P cycle was significantly down-regulated during the light stress flight of armyworms, suggesting that the GPDH succinylation may be involved in the energy metabolism regulation of light-induced stress flight of armyworms. Based on this hypothesis, we intend to explore the role and mechanism of succinylation modification of GPDH in the energy metabolism during light-induced flight of armyworm, from multiple levels such as molecular, cellular and individual levels. It is of great importance in understanding the physiological adaptation strategies under insect environmental stress and of great scientific and practical significance to reveal the energy metabolism mechanism of insect phototactic flight and enrich the insect phototaxis theory.

昆虫趋光行为是一种光胁迫下的应激飞行行为，是一种剧烈运动和高速耗能活动，需要能量代谢系统高速运行来同时满足光胁迫应激及飞行肌供能需要。昆虫为了适应某些高速耗能活动的生理生化要求，在能量代谢方面演化出磷酸甘油酯穿梭（G-3-P）循环的独特机制。由GPDH调控的G-3-P循环是维持昆虫飞行肌高速糖酵解的关键。琥珀酰化修饰可以调控能量代谢关键酶的催化活性。申请者前期研究发现在粘虫趋光应激飞行过程中，G-3-P循环的关键酶GPDH琥珀酰化水平显著下调，暗示GPDH琥珀酰化修饰可能参与粘虫趋光应激飞行的能量代谢调控。基于这一假设，我们拟从分子、细胞及虫体水平等多层次探讨GPDH琥珀酰化修饰在粘虫趋光飞行能量代谢中的作用和机制，这对理解昆虫环境胁迫下的生理适应策略，揭示昆虫趋光应激飞行的能量代谢机制，丰富和完善昆虫趋光理论具有重要科学意义和实践价值。

背景和主要研究内容：昆虫趋光行为是一种人造光胁迫下的应激飞行行为，已经发现有许多夜行昆虫存在趋光行为，但其机制目前仍不清楚。本研究从蛋白质翻译后修饰的角度对昆虫趋光的机制进行了初步的探索：以具有趋光行为的夜行性昆虫粘虫为试验材料，对趋光粘虫体内的琥珀酰化修饰全蛋白组进行了测定，并对鉴定出的琥珀酰化蛋白进行了富集分析及功能预测；筛选出粘虫候选去琥珀酰化酶基因并对其发育表达模式进行测定和分析；对关键代谢途径中的关键酶GPDH进行了体外表达纯化，并成功获得纯化蛋白；检测了光照对GPDH酶活力的影响。.重要结果及关键数据：.1.对趋光粘虫进行琥珀酰化全蛋白质组测序，共鉴定到2692个蛋白，466个具有琥珀酰化位点。103种蛋白质中的130个Ksuc位点发生了显着变化，其中3个上调，100个下调。在466种已鉴定的Ksuc蛋白中，约75％（349）拥有一个Ksuc位点，而6％（53）包含3个或更多Ksuc位点。.2.琥珀酰化水平下调的蛋白主要集中于蛋白合成、氧化还原、细胞骨架相关等在细胞质中发生的反应；下调的蛋白与结合过程相关，这暗示下调的琥珀酰化蛋白参与蛋白质互作和酶的催化反应；下调的蛋白大量富集于代谢通路中，参与糖酵解、脂肪酸代谢，TCA循环，氨基酸生物合成以及氧化磷酸化，表明琥珀酰化蛋白可能广泛的参与代谢调控；部分琥珀酰化蛋白富集于神经肌肉接头和抗氧化系统，以及产生抗氧化系统所需还原当量的代谢通路中。暗示蛋白质琥珀酰化可能通过影响代谢和抗氧化过程，来协调神经和肌肉系统功能，最终调控趋光粘虫的运动。.3.筛选出三个粘虫的去琥珀酰化酶基因，并对其进行了发育表达模式的检测。结果显示，候选去琥珀酰化酶基因在蛹期和成虫初期发生明显的表达量变化，表明去琥珀酰化酶基因在这两个时期可能发挥重要的作用。.4.在鉴定到的琥珀酰化修饰水平显著变化的蛋白中，选取影响昆虫飞行和代谢的关键酶GPDH进行了体外的真核表达纯化，并检测了所得蛋白质的GPDH催化活性。.5.对GPDH在光照下的酶活力变化进行了检测，证明趋光行为与能量代谢之间存在一定的相关性。.科学意义：研究结果表明蛋白质琥珀酰化在飞蛾对光胁迫的响应中起着至关重要的作用，对解释昆虫趋光应激飞行的能量代谢具有重要意义，研究结果对丰富完善昆虫趋光理论具有重要的科学意义和应用价值。