G蛋白偶聯(lián)受體在昆蟲中作用機理及功能的研究進展

1、選題原因：我在學校SRT項目中做的課題是“口比朗酮作用于褐飛虱5-羥色胺受體的藥理研究”，而且在實驗室也進行的SK和TK神經(jīng)肽受體的克隆這兩個神經(jīng)肽受體就屬于G蛋白偶聯(lián)受體。G蛋白偶聯(lián)受體參與眾多生理過程，如：感光（視紫紅質(zhì)是一大類可以感光的G蛋白偶聯(lián)受體），嗅覺（可以感知氣味分子和費洛蒙），行為和情緒的調(diào)節(jié)（好斗和侵略行為）等。對G蛋白偶聯(lián)受體進行生物學研究有利于了解昆蟲行為，以G蛋白偶聯(lián)受體受體為靶標，設(shè)計新型特異性殺蟲劑提供理論基礎(chǔ)。從而達到控制害蟲的作用。G蛋白偶聯(lián)受體在昆蟲中作用機理及功能的研究進展蔡曉藝吳順凡摘要：嗅覺受體，多巴胺受體，5-羥色胺都屬于G蛋白偶聯(lián)受體，昆蟲的嗅覺對昆

2、蟲的棲息地選擇、覓食、群集、趨避、繁殖以及信息傳遞等行為具有重要的影響。嗅覺受體（olfactoryreceptors,Ors）是G蛋白偶聯(lián)受體（Gprotein-coupledreceptor）的一種，是嗅覺系統(tǒng)的關(guān)鍵成分。多巴胺調(diào)控昆蟲的交配、發(fā)育、嗅覺以及運動行為等，特別對DARs的信號轉(zhuǎn)導、生理以及藥理學功能。TK對于果蠅的攻擊行為，求愛行為有明顯的影響。CK對于昆蟲的取食有明顯的促進作用。本文主要綜述了多巴胺在昆蟲中的調(diào)控、分布及所參與的生理功能，如多巴胺調(diào)控昆蟲的交配、發(fā)育、嗅覺以及運動行為等，特別對DARs的信號轉(zhuǎn)導、生理功能以及藥理學等方面進行了詳細評述。5-HT通過結(jié)合特異性

3、的G蛋白偶聯(lián)受體在昆蟲體內(nèi)發(fā)揮不同的神經(jīng)調(diào)控作用，調(diào)節(jié)昆蟲主要的行為活動，比如取食、生物鐘、聚集、學習和記憶等。不同昆蟲5-HT受體藥理學性質(zhì)存在差異，將為以5-HT受體為靶標，設(shè)計新型特異性殺蟲劑提供理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：G蛋白偶聯(lián)受體，昆蟲嗅覺神經(jīng)，昆蟲嗅覺，藥理學Abstract:olfactoryreceptors(Ors),dopaminereceptors(DARs),5-hydroxytryptamine(5-HT)arebelongtoGprotein-coupledreceptorsTheolfactionhasmanyimportanteffectsoninsectbehavi

4、or,includinghabitatchoosing,foodhunting,gathering,tropism,reproduction,signalcommunication,etcOlfactoryreceptor(OR),asakindofGprotein-coupledreceptors,isakeycomponentoftheolfactorysystem.Inthisreview,wesummarizedthecurrentknowledgeonthemodulationofDA,itsdistributioninnervousandnon-nervoustissues,and

5、itsphysiologicalfunctionsininsects,suchasitsinvolvementinmodulatinginsectmating,development,olfactionandlocomotion.Especially,therecentprogressaboutsignaltransductionphysiologicalrolesandpharmacologicalpropertiesofinsectdopaminereceptorswasreviewedindetail5-HTplaysvariousimportantphysiologicalrolesi

6、ninsectsthroughspecificGprotein-coupledreceptorssuchasfeeding,circadianbehavior,aggregation,learningandmemoryThepharmacologicaldifferencesof5-HTreceptorsfromdifferentinsectswillprovidefundamentalbasisfordesigninganddevelopingnewspecificinsecticidesforpestmanagement前言：為了感知所處環(huán)境的物理化學性質(zhì)，生物體進化出了高度特異性的感覺系

7、統(tǒng)。這些系統(tǒng)將感覺器官受到的刺激轉(zhuǎn)化成為各種信號，進而直接或間接地影響著個體生活的方方面面，如行為、生理和代謝等。隨著對哺乳動物嗅覺的分子研究進一步深入，以及對其機理的探索所取得的突破，昆蟲嗅覺的分子研究迅速發(fā)展起來。嗅覺受體(olfactoryreceptors,Ors)作為嗅覺系統(tǒng)的關(guān)鍵成分之一，對嗅覺受體的研究是認識昆蟲化學信號的分子識別機制的重要環(huán)節(jié)1。多巴胺(dopamine,DA)是一種廣泛分布于脊椎動物和無脊椎動物體內(nèi)的兒茶酚胺神經(jīng)遞(catecholamineneurotransmitter)。在昆蟲體內(nèi)，DA調(diào)控著昆蟲的學習與記憶、運動、抉擇以及飛蝗從散居型到群居型的型變等2

8、。5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT),又名血清素(Serotonin),是廣泛分布于脊椎動物和非脊椎動的中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外圍組織中的單胺類神經(jīng)遞質(zhì)，調(diào)控許多關(guān)鍵生理過程，例如痛覺調(diào)制、感覺運動、心血管功能以及呼吸、睡眠、食欲、攝食行為與認知功能等。5-HT通過啟動不同的5-HT受體亞型偶聯(lián)不同的信使傳導從而產(chǎn)生不同的藥理作用，5-HT受體分型復雜網(wǎng)。90年代初期，在脊椎動物褐家鼠Rattusnorvegicus中首先發(fā)現(xiàn)了嗅覺基因家族，這一研究獲得2004年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎；接著在線蟲Caenorhabditiselegans中也發(fā)現(xiàn)了這類基因，昆蟲嗅覺傳導的分

9、子研究也在同一時期發(fā)展起來。首先發(fā)現(xiàn)氣味分子能誘導一種位于嗅覺細胞膜上具有電化學轉(zhuǎn)換功能的第二信使，在嗅覺感受細胞中引出了一條G蛋白介導的信號流。同時，在黑腹果蠅Drosophilamelanogaster體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了類似G蛋白偶聯(lián)受體的神經(jīng)肽受體以及糖蛋白激素受體，這些受體的基因被克隆并異源表達分析，在研究東亞飛蝗的神經(jīng)肽時也發(fā)現(xiàn)了傳遞胺、肽和激素等物質(zhì)刺激信號的G蛋白偶聯(lián)受體。在完整的觸角和觸角勻漿中，許多實驗表明諸如肌醇三磷酸、環(huán)磷腺甘和環(huán)磷鳥昔等依賴信息素作用的第二信使的存在，暗示嗅覺受體是G蛋白偶聯(lián)家族的成員。隨著果蠅基因組的計劃的實施，學者們明確了19種果蠅嗅覺基因。伴隨果蠅基因組測

10、序的完成，發(fā)現(xiàn)的嗅覺受體基因的個數(shù)也增加到了62個。DA首次于1910年由英國倫敦惠康實驗室的科學家GeorgeBarger和JamesEwens通過左旋多巴(L-DOPA)合成。直到1957年，ArvidCarlsson等(1957)才發(fā)現(xiàn)其獨立于去腎上腺素和腎上腺素之外,作為一種神經(jīng)遞質(zhì)在動物體內(nèi)扮演著特殊的重要角色，他也因此獲得了2000年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎5-HT最早于1946年被Erspamer發(fā)現(xiàn)，Erspamer從腸道提取一種可引起平滑肌收縮的物質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)一種源于腸道Kultschitzky細胞的血清血管收縮劑和體液性因子，因此將其命名為小腸胺(enteramine)。此后，R

11、apport等(1948)為尋求導致高血壓的體液性因子時，從血清中分離到一種縮血管物質(zhì)，并命名為血清素(serotonin)。該物質(zhì)后被Erspamer和Asero(1952)通過化學鑒定確定為5-HTo近年來，由于5-HT在昆蟲生理功能中的重要性，越來越多的人研究昆蟲體內(nèi)5-HT,特別是對模式昆蟲黑腹果蠅(Drosophilamelanogaster和西方蜜蜂(Apismellifera)。1 .三種G蛋白偶聯(lián)受體的調(diào)控表達相同嗅覺受體的神經(jīng)元匯集到觸角葉中相同的神經(jīng)纖維球或者功能性處理單位中。這些神經(jīng)元最終將嗅覺信號傳導到腦部的觸角葉結(jié)構(gòu)，從而在昆蟲的腦部形成關(guān)于該氣味分子的抽象信息。嗅覺

12、感受器的表皮上分布有許多小孔，環(huán)境中的氣味分子能穿過這些小孔擴散到嗅覺感受器的淋巴液中，通過與水溶性的氣味結(jié)合蛋白形成復合物或直接作用到嗅覺受體上4。DA作為信使物質(zhì)，其在生物體內(nèi)的濃度必須受到嚴格的調(diào)控，而首要的調(diào)控手段就是控制其合成速率。昆蟲DA的合成底物也是氨基酸酪氨酸。酪氨酸羥化酶是DA合成的限速酶，L-DOPA進一步在多巴脫竣酶作用下生成DA6。氨基酸色氨酸是5-HT的生物合成前體，在色氨酸羥化酶的作用下生成5-羥色氨酸，然后在5-羥色氨酸脫竣酶的作用下，脫竣基生成5-HT。色氨酸羥化酶是5-HT合成過程中的限速酶，黑腹果蠅中色氨酸羥化酶由兩個基因編碼，即dTPH和dTRH。兩個基因

13、的產(chǎn)物色氨酸羥化酶在體外都有活性，但dTPH在非神經(jīng)組織中表達，dTRH基因在神經(jīng)組織中表達7。AADC在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的5-HT和多巴胺神經(jīng)元中都有表達，不僅參與5-HT的合成，也參與多巴胺的合成。2 .三種G蛋白偶聯(lián)受體的分布在果蠅中，嗅覺感受器位于觸角的第3節(jié)以及口器的下顆須上。每個細胞在樹突部的細胞膜上能特異性表達相應(yīng)的嗅覺受體蛋白。這些神經(jīng)細胞的胞體位于觸角角質(zhì)表皮的下方，而樹突端則延伸到嗅覺感受器，并浸沒在表皮細胞分泌的富含鉀離子和蛋白質(zhì)的淋巴液內(nèi)8。DA及其受體在果蠅腦部的中央復合體內(nèi)有大量分布，而該區(qū)域控制著果蠅的運動行為。DA的分布與TH基因的表達有直接關(guān)系，TH是DA合成的

14、限速酶，利用TH-GAL4系統(tǒng)構(gòu)建的轉(zhuǎn)基因果蠅，可將TH在胚胎、幼蟲中樞神經(jīng)系統(tǒng)和成蟲腦中的表達完全勾勒出來。止匕外，外周神經(jīng)中也被報道有DA的分布，并可能釋放進入血淋巴系統(tǒng)中進行循環(huán)。不同種類的昆蟲體內(nèi)的DA含量也不同，且受外界條件的影響較大。如蜜蜂的幼蟲、蛹和成蟲的腦部都有DA,且主要分布在前腦，具代謝產(chǎn)物N-乙酰多巴胺則在視葉和前腦都有分布。5-HT在昆蟲中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)中都有分布。腹神經(jīng)索中很多的5-HT神經(jīng)元是中間神經(jīng)元。在感覺神經(jīng)元、咽下神經(jīng)節(jié)、中間神經(jīng)元、神經(jīng)分泌細胞等部位都有5-HT的分布。對廄螫蠅5-HT的分布研究發(fā)現(xiàn)，很多對5-HT有免疫活性的物質(zhì)在成蟲的CNS和

15、胸腹部神經(jīng)節(jié)中都有發(fā)現(xiàn)。Haselton等確定了5-HT存在雌馬虻Tabanusnigrovittatus的CNS中腸中。Siju等發(fā)現(xiàn)5-HT存在于埃及伊蚊Aedesaegypti的中央和外周化學感受系統(tǒng)中，在主要的嗅覺神經(jīng)纖維和觸角中都有5-HT的免疫活性物質(zhì)存在。5-HT在昆蟲體內(nèi)的分布有一定的特點，CNS分布很多，從幼蟲期到蛹期，頭部5-HT含量升高。成蟲期5-HT含量也會隨著日齡的增加而改變。對黑腹果蠅各發(fā)育階段和成熟后的神經(jīng)系統(tǒng)中的5-HT神經(jīng)元進行跟蹤實驗，發(fā)現(xiàn)幼蟲期約84個神經(jīng)元，成蟲期多于100個。用5-HT單抗在黑腹果蠅成蟲單個腦中鑒定出了3841個5-HT神經(jīng)元，其中一些

16、已經(jīng)被Valles和White描述，主要是咽下神經(jīng)元和腹部神經(jīng)元。10在黑腹果蠅幼蟲和成蟲的腦中，5-HT免疫反應(yīng)的神經(jīng)元與主要晝夜節(jié)律神經(jīng)元的樹突和背側(cè)末端都相距很近。3 .三種G蛋白偶聯(lián)受體的功能嗅覺受體蛋白在異源系統(tǒng)中的表達表現(xiàn)出高度的復雜性，在轉(zhuǎn)基因表達時發(fā)現(xiàn)，在異源生物系統(tǒng)中合成的大部分受體分子并不被運輸?shù)郊毎|(zhì)膜上,而留在了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，這可能因為一些未知的輔助分子丟失了。通過在觸角中過表達受體Or43a,St?rtkuhl和Kettler(2001)第一次在果蠅中測定了該受體的功能。之后，又建立突變的缺乏內(nèi)源嗅覺受體的神經(jīng)元，用這種“空白神經(jīng)元”作為活體表達系統(tǒng)，將通過原位雜交研究發(fā)

17、現(xiàn)的29種受體在空白神經(jīng)元中表達并檢測分析。研究果蠅感知二氧化碳的味覺受體Gr21a和Gr63a時，采用了缺失Gr63a的突變型個體。對果蠅Gr28基因的研究表明其在感覺神經(jīng)和中樞神經(jīng)中非典型表達，除識別外源氣味分子外，可能還參與內(nèi)源配體的識別。嗅覺受體的信號轉(zhuǎn)導作用的初期包括三種類型的蛋白依次相互作用，即嗅覺受體、G蛋白和一些效應(yīng)酶類。催化第二信使分子（如cAMP等）形成的效應(yīng)物打開離子通道，并使嗅覺神經(jīng)元細胞膜去極化，進而產(chǎn)生受體感應(yīng)電勢。這種效應(yīng)物現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)是磷脂酶C,能夠催化IP3和甘油二酯中的磷脂酰肌醇磷酸氫鹽水解,這些化合物各自的角色還沒有得到徹底闡明。Sato等（2008）最近的研

18、究表明昆蟲Ors包含一個新的種類由配體激活的非選擇性陽離子通道通過膜外向外式膜片鉗技術(shù)，在爪蟾卵母細胞和HEK293T細胞膜表達昆蟲OR復合物，證明其本身具有通道活性，且形成的配體門控離子通道可能是昆蟲獲得的對氣味環(huán)境反應(yīng)的一個獨特策略。在這些研究的基礎(chǔ)上，對昆蟲嗅覺受體神經(jīng)元中早期信號傳遞的模型也粗略地建立起來。目前，對蛾類的性信息素受體的功能研究比較深入。蛾類的性信息素一般是2到3種包含12到16個碳原子的碳水化合物分子的混合物，雄蛾的信息素感受系統(tǒng)專門識別雌蛾散發(fā)的極微量的這類信息素110DA在昆蟲體內(nèi)所發(fā)揮的生理作用，主要是通過結(jié)合其相應(yīng)的受體來完成的。果蠅的DmDOP和DmDOP2Q

19、AMB）基因在其腦部的蘑菇體中有表達，并被認為參與了果蠅記憶的形成，如果蠅對嗅覺氣味的記憶以及對食欲的控制等。有研究表明，激活DA神經(jīng)元可引起果蠅的睡眠減少，然而當失去了DmDOP1受體的表達后，這種效應(yīng)便受到了阻斷，恢復該受體表達所做的補救實驗則顯示DA引起的睡眠減少再次顯現(xiàn)。因此DA很可能是通過DmDOP使體，進而激活cAMP信號及下游的CREB來完成對睡眠的調(diào)控的；果蠅的DmDOP3與了對果蠅爬行行為的調(diào)控，兩類受體還參與調(diào)控果蠅體內(nèi)保幼激素和蛻皮激素的水平。蜜蜂的AmDOP仰因也在蘑菇體和其他大腦區(qū)域包括觸覺葉和視葉中表達，蜜蜂的AmDOP徽報道參與了蜜蜂的運動行為，蜜蜂AmDOF&#

20、174;被報道受蜂王信息素的主要成分HVAt活，并引起腦部cAMP變化，引起記憶的產(chǎn)生12。5-HT的功能主要是通過其受體實現(xiàn)的，對昆蟲5-HT及其受體在生理和行為上的功能的了解主要是依靠藥理學實驗，但是隨著遺傳學和分子生物學技術(shù)的不斷進步，通過基因敲除來研究5-HT及其受體的功能越來越常見。岡比亞按蚊Aedesaegypti的5-HT7受體主要在微氣管細胞和后腸中表達，5-HT在呼吸過程中起了作用，同時在利尿過程中，5-HT7受體可能協(xié)助腸道對5-HT作出反應(yīng)。西方蜜蜂5-HT參與了趨光行為，其5-HT1A受體在腦部參與視覺信息處理的部位高表達，并且通過體內(nèi)藥理學實驗證明5-HT1A對單頭蜜

21、蜂光反應(yīng)行為有很大的影響，從基因表達水平到行為過程證明5-HT1A參與調(diào)節(jié)蜜蜂對光的反應(yīng)過程。黑腹果蠅5-HT1A參與調(diào)控睡眠過程，通過對黑腹果蠅3種5-HT受體突變體基線睡眠值進行分析，發(fā)現(xiàn)d5-HT1A果蠅有短暫和片段睡眠現(xiàn)象，該現(xiàn)象可以通過成蟲腦部蘑菇體部位表達5-HT1A而得到補救。而d5-HT1B和d5-HT2A對果蠅基線睡眠值沒有影響。通過藥理學和遺傳學的方法增加5-HT的表達量，能促進野生型果蠅的睡眠。雖然5-HT1B不參與調(diào)控果蠅睡眠，但是前面已經(jīng)提到果蠅5-HT1B受體調(diào)控晝夜節(jié)律。同樣通過遺傳學和藥理學的方法，利用非選擇性5-HT受體拮抗劑metitepine對黑腹果蠅5種

22、5-HT受體突變體取食的影響分析，發(fā)現(xiàn)5-HT2A是metitepine抑制取食唯一需要的受體13。在所有的昆蟲中，黑腹果蠅5-HT及其受體的功能相對研究的比較多。目前，只有5-HT2B未報道與其相關(guān)的功能?？傮w而言，這方面還需要大量深入的研究網(wǎng)。6.小結(jié)與展望隨著昆蟲基因組序列庫數(shù)量的不斷擴增，更多物種的嗅覺受體被將發(fā)現(xiàn)鑒定出來。當然，隨著研究的深入，學者們也不斷遇到各種難點和問題，如昆蟲的嗅覺受體的結(jié)構(gòu)越發(fā)表現(xiàn)出一種與典型的G蛋白偶聯(lián)受體反向的跨膜分布，這導致了研究者們必須換一個角度來分析這種新結(jié)構(gòu)的功能。另外，嗅覺系統(tǒng)中各種新化合物和蛋白的發(fā)現(xiàn)，顯著擴充了嗅覺途徑網(wǎng)絡(luò)的寬度，使得尋找嗅覺

23、系統(tǒng)的新成分以及了解如此多的化合物與嗅覺受體之間的關(guān)系成為一個復雜的課題。再者，環(huán)境中各種化合物對嗅覺受體的作用還沒有直觀地展現(xiàn)出來，而嗅覺受體的結(jié)晶體獲得則有待相關(guān)實驗技術(shù)水平的進一步提高。昆蟲DARs的研究，未來將可能主要集中于以下幾個方面：(1)在昆蟲基因組中挖掘新的DARs受體；(2)尋找不同種類昆蟲特異性的DARs受體,(3)通過結(jié)構(gòu)生物學等手段，比較研究脊椎動物和無脊椎動物類型DARs藥理學性質(zhì)差異的的具體機制；(4)對昆蟲體內(nèi)DARs參與各種生理反應(yīng)的進一步發(fā)掘等。對昆蟲體內(nèi)DA及DARs的生理與藥理學研究，也將有助于我們更深入地理解昆蟲的各種行為機制及開發(fā)以DARs為靶標的殺蟲

24、劑用于害蟲防治。目前昆蟲體內(nèi)鑒定出來的5-HT受體都是GPCR類型。14昆蟲和哺乳動物對藥物反應(yīng)、行為以及基因反應(yīng)的相似性，有可能使某些昆蟲如果蠅和蜜蜂作為研究人類某些疾病的工具，從而可以快速、高通量、低成本的去了解CNS中5-HT的功能。最近，人的5-HT1B和5-HT2B受體的晶體結(jié)構(gòu)已有報道，這可以幫助我們更深入地研究5-HT這類受體的結(jié)構(gòu)特點，從而為將來設(shè)計和開發(fā)殺蟲劑奠定了基礎(chǔ)。昆蟲有許多行為是多個神經(jīng)肽控制，而一種神經(jīng)肽可能控制多種行為，這也為研究造成一定的難度。參考文獻：1龔中軍，周文武，祝增榮，程家安.昆蟲嗅覺受體的研究進展.昆蟲學報，2008,51(7):761-768.2吳順凡，徐剛，齊易香，夏仁英，黃佳，葉恭銀.昆蟲多巴胺及其受體的研究進展.昆蟲學報，2013,56(11):13421358.3齊易香，吳順凡，黃佳，葉恭銀.昆蟲5-羥色胺及其受體的研究進展.昆蟲學報，2014,57(7):844859.4王桂榮，吳孔明，蘇宏華，郭予元.棉鈴蟲嗅覺受體基因的克隆及組織特異性表達.昆蟲學報，2005,48(6):823-828.5