昆虫蜕皮激素的细胞膜受体及膜信号转导途径研究

The holometabolous insects take place molting and metamorphosis during development. The molting hormone 20-hydroxyecdysone (20E) is the key hormone regulating molting and metamorphosis. It is known that 20E enters cells by free diffusion, and then binds with the nuclear receptor EcR of 20E for gene transcription (so called nuclear receptor pathway), because 20E is lipid soluble. However, it is not clear if 20E has plasma membrane receptor and the membrane signaling pathway. Our previous studies also showed that 20E has to transfer its nuclear receptor EcR and heat shock protein 70 into the nucleus by cytoplasma pathway for gene transcription. In addition, 20E through protein kinase C (PKC) phosphorylates actin binding protein calponin, and transfers calponin into nucleus to form transcription complex for gene transcription. These results suggest there is a plasma membrane receptor and the membrane pathway.We have already found a membrane receptor participating in 20E signaling. Therefore, we are going to study further: 1) the plasma membrane receptor of 20E and its function in 20E signal transduction; 2) the members in the 20E membrane pathway and the mechanism of the hormonal signaling; 3) the relationship of the membrane pathway and the nuclear receptor pathway; 4) the regulation of the 20E plasma membrane pathway. The goal of the study is demonstrating the 20E plasma membrane pathway, presenting new theory and new target genes for pest control.

蜕皮激素是起始昆虫蜕皮与变态的关键激素。过去认为蜕皮激素具有脂溶性，是通过自由扩散进入细胞,与核受体EcR结合启动基因转录，即核受体途径。但蜕皮激素是否存在细胞膜受体及膜信号转导途径尚不清楚。我们前期研究表明蜕皮激素先要通过细胞质中的蛋白转运系统调控核受体EcR和热休克蛋白70入核、通过蛋白激酶PKC调控肌动蛋白结合蛋白calponin磷酸化并入核形成转录复合体，才能启动核受体途径的基因转录，说明蜕皮激素可能存在膜受体和膜信号途径。我们还检测到一个细胞膜受体参与蜕皮激素膜信号转导。在此基础上，我们拟进一步研究昆虫蜕皮激素的细胞膜受体及膜信号途径，包括：1）蜕皮激素细胞膜受体及功能；2)蜕皮激素细胞膜信号途径的成员及信号转导机理；3）蜕皮激素膜信号途径与核受体途径的关系；4）蜕皮激素膜信号途径的调控。通过该研究丰富和完善蜕皮激素信号转导途径及调控理论，为害虫控制提供靶标基因。

按原定计划开展了研究工作,全面完成了项目设定的各项研究内容，实现了预期目标。获得的主要成果包括：1）鉴定到2种G蛋白偶联受体（GPCR）在细胞膜上传导蜕皮激素(20E)信号，引起细胞内钙离子快速内流，促进细胞凋亡和变态发育，证明了蜕皮激素的细胞膜受体是GPCR, 而不是受体型酪氨酸激酶（RTK）；2）阐明了 G 蛋白αq(Gαq)、磷脂酶C伽马1(PLCG1)、蛋白激酶(PKA、PKC、CDK10、CaMKII)及钙离子通道ORAI1等是蜕皮激素膜信号途径的主要成员；3）阐明了蜕皮激素膜信号途径与核受体途径属于上下游的调控关系，蜕皮激素通过GPCR介导的细胞膜信号途径调控核受体途径，包括调控EcRB1/USP1复合体的磷酸化与乙酰化、转录复合体的形成及转录复合体与DNA应答元件的结合，进而调控基因转录，促进细胞凋亡，完成昆虫变态发育；4）阐明了保幼激素（JH）通过调控转录因子BrZ7磷酸化从而拮抗蜕皮激素功能；5）证明了胰岛素通过促进细胞增殖从而促进蜕皮激素合成，而高浓度的蜕皮激素拮抗胰岛素途径基因表达，促进细胞凋亡；20E通过上调磷脂酰肌醇三磷酸磷酸酶（PTEN）表达使转录因子（FoxO）入核发挥转录活性，从而对抗胰岛素活性，促进蛋白水解。在PNAS、Development、JBC、Endocrinology、Insect Biochemistry and molecular Biology等主流杂志发表了系列研究文章。培养了8名博士生，10名硕士生，多人获得国家奖学金。本项研究的意义在于阐明了GPCR介导的蜕皮激素的细胞膜信号途径及主要成员，为类固醇激素信号转导研究领域增加了新的理论知识。棉铃虫是是全球性的重要的农业害虫，我们所获得的激素调控棉铃虫发育的研究成果，不仅可以提供昆虫发育的新的理论，而且可以为控制害虫提供重要的靶标基因，为研制新型生长调节剂类农药提供理论依据。