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主题:信息素论文写作 时间:2024-04-12

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摘 要:嗅觉系统在昆虫的生命活动中具有重要的功能作用.通过嗅觉蛋白来识别环境中以及种内所释放的化学信号物质,进而指导昆虫完成求偶,躲避天敌等生命活动.近些年来,随着转录组测序技术的日益发展,许多昆虫的嗅觉家族相关基因已被鉴定.而性信息素结合蛋白(pheromone binding protein,PBPs)因其功能的特殊性和重要性,一直以来备受研究者的关注.目前,丰富的科学手段,例如电压钳,RNAi,EAG等已为嗅觉蛋白功能做出了不同的阐述,并有一些新的发现,但目前尚存在一些问题亟待解决.笔者根据国内外近些年的研究进展,从昆虫性信息素结合蛋白的理化性质、不同组织表达模式及其和其他嗅觉相关蛋白之间的关系等方面进行了综述.

关键词:性信息素结合蛋白;触角;昆虫;嗅觉基因;功能

0引言

昆虫的嗅觉系统在其适应环境的过程中发挥了不可替代的作用,对其寻找配偶及产卵场所,躲避天敌等行为产生了重要影响,其中求偶交配行为对于昆虫种群的繁衍发展等具有重要的意义.昆虫脑部触角叶一般由两个平行亚系统组成,一个主要负责处理寄主植物气味,而另一个特化为专门处理种内或相似种之间的性信息素.目前,研究者已就普通气味结合蛋白(General Odorant Binding Proteins,GOBPs)和性信息素结合蛋白(Pheromone Binding Protein,PBPs)分别作为气味结合蛋白(odorant Binding Proteins,OBPs)开展了广泛研究.关于求偶交配行为发生的第一步,目前被普遍认为是性信息素结合蛋白识别并结合性信息素分子后,将其运输至嗅觉受体发生级联放大反应,进而指导昆虫进行求偶行为.

昆虫对性信息素分子的识别主要由分布在触角上的感受器完成,气味分子能够穿过感受器表面布着的微孔(Pore)进入触角感受器,和淋巴液中相对应的气味结合蛋白结合,而后被运送至感觉神经元膜上的气味受体(Olfactory Receptor,ORs).性信息素结合蛋白首先在多音天蚕(Antheraeapolyphemus)中被分离、鉴定,因其能够和信息素特异性结合而命名为性信息素结合蛋白.随后Sandier等首先通过x-射线对家蚕PBP晶体结构进行了分析,发现由6个反向平行的a螺旋构成的烧瓶状结合兜可以和性信息素成分特异性结合旧.目前,随着不同昆虫性信息素成分以及植物挥发物成分被鉴定,越来越多的研究者将其作为研究对象,旨在为害虫监测及防治提供策略,从而达到绿色防治的目标.为阐明性信息素分子等气味分子和性信息素结合蛋白的运输及作用机制,引发了学者们对性信息素结合蛋白结构和功能的研究兴趣.

1性信息素结合蛋白的分子特征

昆虫的PBPs是一类由120-160个氨基酸组成的酸性、水溶性的小蛋白分子.随着家蚕、果蝇等模式昆虫的嗅觉相关蛋白研究日益深入,棉铃虫、舞毒蛾、梨小食心虫等昆虫的嗅觉相关基因也逐步被鉴定.根据已有研究的分析发现它们存在以下2个共同点:(1)其N端的信号肽序列约有20个氨基酸,而其功能蛋白则将信号肽切除;(2)尽管PBPs蛋白序列比对结果显示其一致性在30%-75%,但一般都具有6个保守的半胱氨酸,并通过特定的组合方式形成3个二硫键.此結构一方面可以稳定蛋白结构,另一方面二硫键所形成的口螺旋疏水结合腔可以调控性信息素分子的结合和释放.

PBPs在水溶性的血淋巴(感器液)中选择性地结合性信息素分子而过滤掉其他无关的气味分子,和性信息素分子形成复合物后和树突膜上的G-蛋白偶联受体相作用并引发级联放大反应,从而激活信号通路.然而,关于性信息素结合蛋白是以何种形式将性信息素分子传递给性信息素受体存在3种推测:一为气味结合蛋白和气味分子结合在到达受体后将其释放,气味分子单独和神经膜上受体蛋白作用;二为气味结合蛋白和气味分子以结合体的形式和气味受体发生作用;三为气味结合蛋白将气味分子运送到神经膜后,先和跨膜蛋白结合而释放出气味分子,接着气味分子再和神经膜上的受体作用.但是配基和配体以何种方式和受体的结合及释放机制尚未明确,相关研究表明它们之间的结合和释放方式均和气味分子的构象、嗅觉感器腔内淋巴液的pH值、热以及神经元膜附近的盐离子浓度等密切相关.

目前很多研究表明PBP功能的发挥和环境的pH相关.在家蚕的研究中发现性信息素结合蛋白可分为还原性和氧化型,当pH 8.2时该蛋白为碱式构型(BmorPBPB),可以将性信息素运送至受体;当pH 4.5时为酸式构型fBmorPBPA),可将性信息素从受体释放出来.在动力学研究中证实当信息素被运至神经元树突膜并同受体结合后,性信息素结合蛋白变成具有清除信息素功能的氧化型.Ziegelberger等通过非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳发现在多音天蚕蛾中性信息素结合蛋白的氧化态和还原态可以共存.另外,PBPs功能行使和蛋白构象的变化相关联.在脐橙螟的PBP1的研究中发现当酸碱度从pH 4.5升高到pH7.0后,N-端a1螺旋为了协调C-端a7螺旋发生约92°的旋转,自身发生了大约37°旋转;正是这种结构转变所造成的挤压作用使C端形成的第7个a-螺旋进入结合兜内并取代信息素分子的位置,最终将信息素分子逐出以激活性信息素受体㈣.因此,阐明pH对PBPs结构的影响将会使人们深入了解PBPs作用的分子机制.此外,Woitasek等在家蚕中的研究表明BmoriPBP在pH 5.0~5.0之间构象会发生巨大的变化,即BmoriPBP对pH存在很高的敏感性,但它对于热以及尿素的变性作用却具有很高的稳定性.

但Weng等研究发现在中华蜜蜂性信息素气味结合蛋白ASP1和蜂王信息素HOB的结合关系却随着温度的升高结合力逐渐下降,此研究结果和Wojtasek发现PBP对热稳定的结果却显著不同,可能是由于不同昆虫之间的分子机制存在的差异造成的,通过光谱分析发现ASP1在结合HOB后亲水性会发生一些变化并伴随着口螺旋的增多.简言之,PBPs的构象变化受到一些因子的影响,并借助于这些因子变化所提供的能量来完成自身结构的转变,最终完成对性信息素分子的结合和释放.

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