家蠶嗅覺蛋白研究進(jìn)展

徐 柯 焦 鋒

(西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，陜西楊凌 712100)

昆蟲可以高效利用生物傳感器進(jìn)行各項(xiàng)生命活動(dòng)，依靠化學(xué)物質(zhì)的傳遞以指導(dǎo)其生理行為。昆蟲外周的特殊結(jié)構(gòu)(如觸角)接收信息素和其他信息化學(xué)物質(zhì)，是與大腦中的其他刺激方式整合并隨后轉(zhuǎn)化為行為的重要一步。然而通常情況下，參與化學(xué)通訊的信息化學(xué)物質(zhì)在空氣中濃度極低，還可能會(huì)與生理上不相關(guān)的復(fù)雜混合物混合在一起。為應(yīng)對(duì)此類情況，昆蟲的嗅覺系統(tǒng)逐步變得更加敏感且具有高度選擇性，需要多種蛋白的參與，主要包括氣味結(jié)合蛋白(odorant-binding proteins, OBPs)、信息素結(jié)合蛋白(Pheromone-binding proteins，PBPs)、化學(xué)感受蛋白(chemosensory proteins, CSPs)、氣味受體蛋白(odorant receptors, ORs)等。

家蠶作為鱗翅目模式昆蟲，是以桑葉為食的寡食性經(jīng)濟(jì)昆蟲，利用嗅覺尋找桑葉的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定位，并通過味覺試咬來(lái)判斷是否適口來(lái)確定是否采食；繁殖交配期，雌蛾會(huì)釋放性信息素，雄蛾通過性信息素的氣味尋找雌蛾進(jìn)行交配。因此，嗅覺器官對(duì)于家蠶的個(gè)體生存和種群繁衍都具有至關(guān)重要的作用，也是人們目前試圖改良和利用家蠶的重要方向。比如，改變嗅覺器官的感受性來(lái)提高家蠶對(duì)于人工配合飼料的適應(yīng)性，是未來(lái)輕簡(jiǎn)省力工廠化養(yǎng)蠶的基礎(chǔ)，也是廣食性家蠶品種培育面臨的重要基礎(chǔ)問題。近年來(lái)，利用家蠶基因組和遺傳操作取得的重大進(jìn)步，對(duì)家蠶嗅覺器官有了更多的認(rèn)識(shí)了解。本文試圖總結(jié)近年來(lái)的研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)研究方向提出看法。

1 家蠶嗅覺系統(tǒng)

家蠶(Bombyxmori)為寡食性昆蟲，通常僅以桑葉為食。但有研究發(fā)現(xiàn)，家蠶在饑餓狀態(tài)下也采食其它植物，如拓樹、桑橙、構(gòu)樹和榕樹等?？浦参铩４送?，家蠶也采食榆科、菊科、蕁麻科等類植物[1]。家蠶的采食一般分為五個(gè)主要階段：宿主植物的識(shí)別與定位；初食或“嘗”；進(jìn)食；持續(xù)進(jìn)食；停止進(jìn)食、休息、活動(dòng)。

家蠶通過嗅覺感受器識(shí)別環(huán)境中的揮發(fā)性氣味，從而進(jìn)行覓食、交配和產(chǎn)卵等生命活動(dòng)。根據(jù)形態(tài)特征，嗅覺感器主要被分為毛形感器、刺形感器、栓錐形感器、腔錐形感器和板形感器等。主要的兩類感器是錐形感器和毛形感器，其中錐形感器對(duì)食物氣味產(chǎn)生響應(yīng)；毛形感器主要響應(yīng)性信息素[2]。嗅覺感器主要位于觸角上，少數(shù)分布于口器、下顎須、下唇須、翅、足及生殖器等部位。摘除不同部位的嗅覺感受器，對(duì)與家蠶的采食會(huì)產(chǎn)生不同的影響。崔為正等通過試驗(yàn)證明，家蠶摘除觸角對(duì)高低不同食性的蠶影響基本相同，而摘除下顎須后，低食性蠶攝食性的提高幅度遠(yuǎn)大于高食性蠶。說(shuō)明家蠶下顎瘤狀體和下顎須的感覺機(jī)能的差異可能是造成不同高低食性的主要生理原因[3]。

家蠶嗅覺感受器是一種薄壁的表皮突起，與其神經(jīng)系統(tǒng)聯(lián)系在一起，從而對(duì)周圍環(huán)境的各種氣味信號(hào)做出反應(yīng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)昆蟲的各種行為。嗅覺感器表皮上有許多微孔，外界環(huán)境中的氣味分子為脂溶性，可通過微孔進(jìn)入感器淋巴液，與游離于淋巴液中的氣味結(jié)合蛋白OBPs結(jié)合，形成氣味-OBP復(fù)合體，復(fù)合體穿過淋巴液到達(dá)嗅覺受體神經(jīng)元樹突膜上，將嗅覺受體ORs激活，從而將氣味分子攜帶的化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電生理信號(hào)，然后通過軸突傳到昆蟲的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，最后經(jīng)大腦的綜合分析判斷，指示昆蟲做出相應(yīng)的行為反應(yīng)[4]。還有研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲感覺神經(jīng)元膜蛋白及離子型受體(ionotropic receptors, IRs)也參與了昆蟲嗅覺信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)過程[5]。

2 家蠶嗅覺相關(guān)蛋白

家蠶嗅覺反應(yīng)的敏感性與高度選擇性離不開嗅覺蛋白的參與調(diào)節(jié)，所以研究家蠶的嗅覺離不開對(duì)嗅覺相關(guān)蛋白的研究。一般來(lái)說(shuō)，嗅覺蛋白分為三大類：氣味結(jié)合蛋白(OBPs)、化學(xué)感受蛋白(CSPs)與氣味降解酶(ODE)。其中OBPs主要包括兩類：PBPs和GOBPs；CSPs中嗅覺蛋白包括三類：ORs、IRs和SNMP。

2.1 氣味結(jié)合蛋白(odorant-binding proteins, OBPs)

OBPs是一類小分子、水溶性酸性蛋白質(zhì)，存在于昆蟲的觸覺淋巴感受器上，是昆蟲識(shí)別外界氣味物質(zhì)的一個(gè)必需載體蛋白。OBPs一般含有120～150個(gè)氨基酸，10～30 kDa大小，具有ɑ螺旋結(jié)構(gòu)、20個(gè)氨基酸左右的信號(hào)肽和六個(gè)半胱氨酸，可形成兩個(gè)或三個(gè)二硫鍵，這些二硫鍵進(jìn)一步折疊形成一個(gè)空腔，使OBPs可以與疏水配體結(jié)合[6]。同時(shí)由于OBPs位于外界環(huán)境與感覺神經(jīng)元之間，因此形成了特定的氣味結(jié)合特性，可通過分泌到嗅覺受體細(xì)胞周圍的含水感器淋巴中與脂溶性氣味分子發(fā)生作用，是昆蟲識(shí)別外界氣味信息的第一步，也是特異性識(shí)別的重要一步。

OBP對(duì)氣味分子的運(yùn)輸和釋放依賴于pH與α螺旋結(jié)構(gòu)的改變，在高pH環(huán)境下，OBP結(jié)合氣味分子并攜帶其穿過淋巴液，到達(dá)嗅覺神經(jīng)元附近時(shí)，低pH環(huán)境使得OBPs C端的ɑ螺旋打開，攜帶的氣味分子暴露并釋放[7]。同時(shí)，OBP可以保護(hù)氣味分子不被降解酶降解，以便順利傳輸信號(hào)并激活氣味受體。然而，一些研究表明，OBP并不是介導(dǎo)氣味分子與ORs之間相互作用所必需的，氣味分子可以直接刺激細(xì)胞中的幾種受體[8]。

第一種昆蟲OBP是通過與雌性性信息素結(jié)合而在雄蛾中鑒定的，被稱為信息素結(jié)合蛋白(PBP)[9]。后通過免疫標(biāo)記證明了PBP在雄蛾信息素感器中的定位[10]。之后，更多的OBP被發(fā)現(xiàn)，根據(jù)其蛋白質(zhì)序列可分為四組：classical OBPs, Plus-C OBPs, Minus-C OBPs和Atypical OBPs。鱗翅目昆蟲中OBPs通常分為兩類，即性信息素結(jié)合蛋白PBPs和普通氣味結(jié)合蛋白GOBPs。通過對(duì)6種昆蟲中分離的14個(gè)昆蟲OBPs的N端氨基酸序列分析表明，PBPs是可變的，而GOBPs是高度保守的。同時(shí)，PBPs與GOBPs雖然均可在同一個(gè)物種中表達(dá)，但GOBP的表達(dá)模式與PBPs明顯不同。PBPs主要是雌性特有的，與信息素感覺神經(jīng)元相關(guān)，而GOBPs存在于兩性中，與一般氣味的嗅覺神經(jīng)元相關(guān)。龔達(dá)平等在家蠶中共鑒定出44個(gè)OBP基因，包括GOBP1、GOBP2、PBP1、PBP2、PBP3及其他38個(gè)OBP基因，它們分布于10個(gè)染色體上，形成6個(gè)亞家族[11]。

2.1.1 性信息素結(jié)合蛋白(Pheromone-binding proteins, PBPs)

PBPs在巨型蠶蛾天蠶觸角感覺淋巴中首次被發(fā)現(xiàn)，約為16 kDa，可溶于水，在體內(nèi)的濃度約為10 mM，并以同源二聚體的形式存在。人們認(rèn)為性信息素分子需要與PBP相互作用才能激活OR和ORN。OR周圍的感器淋巴液中PBP濃度極高，不同pH值可以引起PBP結(jié)構(gòu)的構(gòu)象變化，從而影響PBP與性信息素的結(jié)合與釋放。家蠶中表達(dá)的高純度PBP的NMR顯示其三級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)在pH值低于4.9時(shí)存在一種形式，而pH值大于6時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N 形式[12]。Ullah等證明PBPs在中性pH環(huán)境下比酸性環(huán)境下具有更強(qiáng)的配體親和力，在OBP9的30個(gè)配體中，7個(gè)配體在pH值為7.4時(shí)結(jié)合更緊密，3個(gè)配體在pH值為5.0時(shí)更緊密[13]。同時(shí)利用整合到蛋白質(zhì)中央核心的bombykol分子解析家蠶PBP1(BmorPBP1)的X射線晶體結(jié)構(gòu)，以及超分子信息素PBP復(fù)合物激活OR和PBP-OR共表達(dá)的概念，都證明了PBP通過與性信息素分子和氣味化學(xué)傳感的相互作用進(jìn)行調(diào)節(jié)的功能[14]。之后提出了許多基于PBP的性信息素失活和/或信息素在蛾觸角中運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力學(xué)模型。

2.1.2 普通氣味結(jié)合蛋白(general odorant binding protein, GOBPs)

根據(jù)氨基酸相似性，GOBP被分為兩類：GOBP1和GOBP2。免疫細(xì)胞化學(xué)研究表明，GOBP1主要存在于毛形和錐形感器，而GOBP2多定位于雌性和雄性觸角的錐形感器中[15]。GOBP2在對(duì)一般的氣味分子敏感的感受器中表達(dá)，如植物揮發(fā)物。此外，雖然家蠶幼蟲的GOBP2表達(dá)僅限于錐形感器、栓錐形感器或來(lái)自上頜觸須和觸角的其他味覺化學(xué)感受器，但GOBP2的成蟲表達(dá)與雌蛾信息素腺有關(guān)，表明該蛋白具有多種功能[16]。GOBP2不僅在昆蟲中表達(dá)，而且在細(xì)菌界也強(qiáng)調(diào)了參與各種額外的非嗅覺任務(wù)。Guo X等研究發(fā)現(xiàn)BmorPBP1和BmorGOBP2還具有結(jié)合維生素K1和多種不同維生素的能力[17]。

2.2 化學(xué)感受蛋白(chemosensory proteins,CSPs)

CSPs只有四個(gè)半胱氨酸和兩個(gè)二硫鍵，比OBPs更小，更保守。CSPs用四個(gè)保守半胱氨酸以非互鎖方式連接，產(chǎn)生兩個(gè)小環(huán)，形成一個(gè)內(nèi)部具有由6個(gè)α-螺旋圍繞而成的疏水結(jié)合通道的球狀結(jié)構(gòu)，能夠結(jié)合各種化學(xué)分子。Zhou等通過對(duì)基因組和表達(dá)序列標(biāo)簽(EST)數(shù)據(jù)庫(kù)的分析，發(fā)現(xiàn)CSPs只存在于節(jié)肢動(dòng)物門和兩個(gè)亞門甲殼動(dòng)物和單目動(dòng)物中，并且首次在家蠶復(fù)眼中發(fā)現(xiàn)了六個(gè)CSPs以及在信息素腺中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常高水平的家蠶CSPs[28]。

CSP在化學(xué)感受器淋巴中的定位以及與信息化學(xué)物質(zhì)的結(jié)合表明，它們?cè)谀承┓矫婵赡芘c昆蟲的化學(xué)感受有關(guān)。例如，Picimbon等在家蠶上發(fā)現(xiàn)兩個(gè)化學(xué)感受蛋白(BmCSP1和BmCSP2)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)CSPs可能與OBP有著相似的功能[19]。CSPs因此被認(rèn)為在氣味傳導(dǎo)中的作用與OBPs相似，能夠結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)疏水性的配體或信息素。然而，沒有直接證據(jù)表明CSPs在昆蟲體內(nèi)參與嗅覺反應(yīng)。CSPs在一些非感受組織中也表達(dá)，同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)其在家蠶發(fā)育的不同階段表達(dá)不同，說(shuō)明CSPs可能具有其他非嗅覺的功能[20]。利用RT-PCR等技術(shù)鑒定發(fā)現(xiàn)CSPs基因不僅在觸角中表達(dá)，在其他組織中也進(jìn)行表達(dá)，包括腿部、唇瓣、跗骨、大腦、信息素腺和翅膀。與基本只在觸角中表達(dá)的OBPs相比，CSPs在身體各部分的表達(dá)分布更廣。根據(jù)其他學(xué)者研究推斷，CSPs可能參與調(diào)節(jié)昆蟲生長(zhǎng)發(fā)育和蛻皮，以及腿部再生和細(xì)菌、病毒免疫相關(guān)作用。這種廣泛存在的化學(xué)感受蛋白(CSPs)使得昆蟲在進(jìn)化過程中可以利用不同部位對(duì)于接收到的化學(xué)信息及時(shí)的做出相應(yīng)的行為反應(yīng)，使得昆蟲更快更好的適應(yīng)和接受復(fù)雜多變的環(huán)境與化學(xué)刺激。

2.2.1 氣味受體蛋白(odorant receptors, ORs)

氣味型受體(ORs)由味覺受體家族進(jìn)化而來(lái)，與間接與離子通道相連的G蛋白偶聯(lián)哺乳動(dòng)物ORs相反，昆蟲ORs主要作為離子受體發(fā)揮作用，由于受體激活和通道開放之間的直接聯(lián)系，這可能使得昆蟲的嗅覺感應(yīng)相對(duì)敏感。ORs高度分化，無(wú)論是在物種內(nèi)部還是在物種之間，ORs之間平均只有約20%的氨基酸同一性。

昆蟲嗅覺受體(ORs)和味覺受體(GRs)最初因?yàn)榕cG蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)類似，也是七次跨膜蛋白，被歸類為G蛋白偶聯(lián)受體的一個(gè)大亞家族[21]。但隨后有研究發(fā)現(xiàn)，昆蟲ORs具有倒置的跨膜結(jié)構(gòu)，在體外可以獨(dú)立于異源三聚體G蛋白發(fā)出信號(hào)[22]。同時(shí)當(dāng)OR蛋白質(zhì)的N端位于細(xì)胞內(nèi)，C端位于細(xì)胞外時(shí)，它們?cè)谀?nèi)呈反向排列，表明其跨膜方向與GPCR相反。此外，OR蛋白與GPCR也沒有序列相似性。雖然昆蟲ORs不屬于GPCR家族，但發(fā)現(xiàn)異源表達(dá)系統(tǒng)中的ORs功能通過其與G蛋白的相互作用來(lái)表征，適當(dāng)?shù)臍馕稒z測(cè)也依賴于G蛋白功能[23]。

昆蟲的第一個(gè)ORs是由Hugh M. Robertson等從黑腹果蠅的基因序列中發(fā)現(xiàn)，之后ORs在膜翅目、鞘翅目、鱗翅目中逐漸被發(fā)現(xiàn)。2008年西南大學(xué)測(cè)定并公布了家蠶的完整基因序列，之后有學(xué)者利用家蠶的基因與已知的雙翅目基因序列中的ORs比較，在家蠶中鑒定發(fā)現(xiàn)了6個(gè)ORs，被認(rèn)定為性信息素受體。在Wanner等從家蠶基因組中鑒定的41個(gè)ORs中一些ORs基因可能在幼蟲的感受器中特異性表達(dá)[24]。Sakurai等鑒定發(fā)現(xiàn)蛹后期和成蟲期在雄性觸角性信息感受神經(jīng)元上可特異表達(dá)BmOR-1，是一種雄性特異G蛋白偶聯(lián)編碼家蠶醇受體的嗅覺受體基因[25]。有研究利用桑葉中的揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)家蠶部分ORs做了體外實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)OR19能夠響應(yīng)芳樟醇的刺激，OR45和OR47對(duì)于苯甲酸、2-苯乙醇以及苯甲醛的刺激產(chǎn)生響應(yīng)，其中對(duì)于苯甲酸的刺激響應(yīng)程度最大，對(duì)苯甲醛的刺激響應(yīng)程度最小，未發(fā)現(xiàn)能使OR30產(chǎn)生響應(yīng)的揮發(fā)性物質(zhì)[26]。同年，Tanaka等人利用爪蟾卵母細(xì)胞進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，將家蠶的7個(gè)ORs(BmOr-8,24,29,42,54,56,63)對(duì)于桑葉中不同的揮發(fā)性物質(zhì)響應(yīng)程度進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)了家蠶幼蟲主要通過識(shí)別桑葉中的茉莉酮(cis-jasmone)來(lái)尋找并識(shí)別桑葉從而進(jìn)食[27]。

嗅覺神經(jīng)元上分布的嗅覺受體是一個(gè)異源復(fù)合物，由兩部分組成：一個(gè)負(fù)責(zé)檢測(cè)不同氣味刺激的高度特異的OR，一個(gè)高度保守的非典型共表達(dá)的嗅覺受體Orco。OR/Orco復(fù)合體在每個(gè)神經(jīng)元中表達(dá)，使單個(gè)神經(jīng)元對(duì)氣味的識(shí)別具有特異性。而在這個(gè)復(fù)合體中，Orco對(duì)OR的定位、穩(wěn)定性及OR蛋白的正確折疊起重要作用，因此Orco對(duì)氣味分子的感受不可或缺。Orco通過保守的胞內(nèi)環(huán)與傳統(tǒng)的OR相連，形成的異源二聚體構(gòu)成配體門離子通道，共同接受氣味分子的刺激。Orco在不同種類的昆蟲中普遍表達(dá)，具有高度的保守性。一般將果蠅的Or83b、家蠶的Or2、伊蚊和按蚊的Or7統(tǒng)一命名為Orco。Nakagawa等采用定點(diǎn)突變的方法證明OR-Orco復(fù)合物的離子通道活性與保守的氨基酸殘基Glu、Asp和Tyr密切相關(guān)[28]。

21世紀(jì)初，Krieger等利用同源基因克隆了家蠶Orco基因，發(fā)現(xiàn)家蠶Orco基因共編碼472個(gè)氨基酸，與其他物種同源基因氨基酸序列的相似性高達(dá)65%～87%[29]。通過原位雜交及RT-PCR發(fā)現(xiàn)Orco基因在家蠶的化學(xué)感受器官中廣泛表達(dá)，并能夠定位到嗅覺神經(jīng)元細(xì)胞中[22]，但在蛋白水平的研究還未見報(bào)道。Orco的功能在家蠶和其他物種中是比較一致的，Orco一般與其它嗅覺受體結(jié)合，形成復(fù)合體OR-Orco在生物體內(nèi)作用。Nakagawa等利用爪蟾卵母細(xì)胞表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)BmOR1-BmOrco復(fù)合體，結(jié)果表明Orco作為陪伴受體確保BmOR1發(fā)揮作用感受性信息素Bombykol[28]。

通過抗體染色發(fā)現(xiàn)，Orco蛋白主要在家蠶幼蟲觸角第二環(huán)節(jié)及第三環(huán)節(jié)的錐形感器有表達(dá)，在家蠶幼蟲下顎瘤狀體的錐形感器及下顎須前端也均檢測(cè)到了Orco的表達(dá)。首次從蛋白水平研究了家蠶Orco的蛋白定位，為家蠶Orco蛋白的功能研究奠定了基礎(chǔ)。之后利用qPCR及免疫熒光檢測(cè)，結(jié)果表明Orco在mRNA及蛋白水平的表達(dá)量與家蠶對(duì)人工飼料攝食性的高低呈負(fù)相關(guān)，即對(duì)人工飼料攝食性好的品種Orco的表達(dá)量低。反之，攝食性差的品種Orco的表達(dá)量高。推測(cè)可能由于嗅覺受體Orco對(duì)昆蟲的嗅覺識(shí)別起著關(guān)鍵性作用，其表達(dá)量低，可能會(huì)影響昆蟲嗅覺的敏感性。Orco在對(duì)人工飼料攝食性好的家蠶品種中的表達(dá)量低，可能使得家蠶的嗅覺不敏感，對(duì)人工飼料中揮發(fā)性的抑食因子不敏感，因而對(duì)人工飼料的攝食性較好。反之，Orco表達(dá)量高的家蠶品種，其嗅覺敏感，對(duì)人工飼料中的抑食因子敏感，因而不喜歡取食或不取食人工飼料。

2.2.2 離子型受體(ionotropic receptors, IRs)

鱗翅目的IR蛋白可分為3個(gè)亞科，分別為觸角IRs (A-IRs)、鱗翅目特異性IRs (LS-IRs)和D-IRs。在這3個(gè)亞家族中，同源群中的A-IRs和LS-IRs成員表現(xiàn)出高度的基因結(jié)構(gòu)保守性，而D-IRs成員的氨基酸同源性極低(低于30%)。

IRs與昆蟲氣味受體(ORs)無(wú)關(guān)，是由一個(gè)保守的突觸配體門控離子通道家族—離子型谷氨酸受體(IgLUR)進(jìn)化而來(lái)，并基于配體的離子通道發(fā)揮作用。與ORs對(duì)醇和酯的廣泛調(diào)節(jié)不同，IRs對(duì)于酸和胺的調(diào)節(jié)范圍很窄。IRs與iGluRs的同源性有助于剖析這些嗅覺受體定位于OSN感覺纖毛、識(shí)別氣味和產(chǎn)生神經(jīng)元去極化的機(jī)制[30]。與IgLUR一樣，IRs包含一個(gè)細(xì)胞外N-末端、一個(gè)二分配體結(jié)合域(LBD)，其兩個(gè)葉(S1和S2)由一個(gè)離子通道域分隔，以及一個(gè)短的細(xì)胞質(zhì)C-末端區(qū)域。盡管IRs結(jié)構(gòu)域組織與iGluRs相似，但兩者同源性較低(<34%氨基酸序列同一性)。

IRs對(duì)于氣味誘發(fā)的神經(jīng)元反應(yīng)是必要和充分的。例如，ac4苯乙酸/苯乙醛受體IR84a或球囊受體IR64a的突變選擇性地消除了相應(yīng)神經(jīng)元中的嗅覺反應(yīng)；IR84a在OR22a神經(jīng)元(在基錐感受器中)或爪蟾卵母細(xì)胞中的表達(dá)，僅當(dāng)與IR8a共表達(dá)時(shí)，才足以產(chǎn)生對(duì)苯乙醛的反應(yīng)[31]。

2.2.3 嗅覺特異性膜蛋白(sensory neuron membrane proteins, SNMPs)

SNMP是最初在鱗翅目昆蟲信息素敏感的OSN中發(fā)現(xiàn)的昆蟲特異性膜蛋白，對(duì)于檢測(cè)信息素是必不可少的?；赟NMP在信息素敏感的OSN中的表達(dá)及其與CD36家族蛋白的關(guān)系，有學(xué)者對(duì)SNMP的幾種可能作用進(jìn)行了推測(cè)，包括親脂性化合物的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)功能、OBP/信息素復(fù)合物與膜的對(duì)接功能、作為共同受體介導(dǎo)信息素向氣味受體的轉(zhuǎn)移[32]。

鱗翅目昆蟲的SNMPs通?？煞譃閮蓚€(gè)亞族：SNMP1和SNMP2。兩個(gè)亞族高度分化，氨基酸序列相似性僅為30%，表明這些SNMP在體內(nèi)具有不用的功能。SNMP1主要在性信息素敏感的毛形感器中表達(dá)，表達(dá)于信息素感覺神經(jīng)元的樹突膜上，是果蠅脂肪酸衍生信息素11-順式醋酸乙烯酯(cVa)檢測(cè)的關(guān)鍵輔助因子，但對(duì)一般氣味則不需要，表明其可能與性信息素識(shí)別有關(guān)[33]。SNMP2不僅在雌雄蟲的毛形感器中表達(dá)，在雄蟲的刺形感器中也有與其相關(guān)的感器。然而，與SNMP1相比，SNMP2通常在昆蟲體內(nèi)分布更加廣泛，在化學(xué)感受器口器、腿、翅膀、胸部、腹部和中腸等都有所表達(dá)。這種廣泛的表達(dá)模式表明，SNMP2s除了參與嗅覺過程外，還可能在昆蟲身體的組織中發(fā)揮非嗅覺功能。但SNMP2僅在支持細(xì)胞中表達(dá)。

后來(lái)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了新的SNMP，基于它們與蛾類SNMP類型的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，將其命名為SNMP3。但是SNMP3轉(zhuǎn)錄本僅在家蠶和棉鈴蟲的成蟲和幼蟲腸道中檢測(cè)到，并未有證據(jù)證明其參與嗅覺反應(yīng)，并且這種蛋白質(zhì)在消化系統(tǒng)中的具體作用也尚不清楚[34]。

2.3 氣味降解酶(odor degrading enzymes, ODE)

在OR激活后，嗅覺信號(hào)必須迅速降解以防止長(zhǎng)時(shí)間的嗅覺神經(jīng)元興奮，ODE便是用來(lái)降解氣味分子以恢復(fù)昆蟲嗅覺系統(tǒng)的靈敏度。ODE存在于昆蟲的觸角感覺淋巴中，包括羧酸酯酶(CEX)、醛氧化酶(AOX)、乙醇脫氫酶(AD)、細(xì)胞色素P450(CYP)、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)和觸角酯酶(AE)等。

第一個(gè)昆蟲ODE是從雄性天蠶觸角中鑒定出的觸角特異性酯酶(ApolSE)，其特征是可在體內(nèi)和體外快速降解性信息素[35]。通過RT-PCR與RT-qPCR試驗(yàn)鑒定ODE，發(fā)現(xiàn)了一些具有組織偏向性表達(dá)的ODE，例如，在稻縱卷葉螟中鑒定出的18個(gè)羧酸酯酶(CXE)基因，以及埃及角叉線蟲的SICXE17的編碼基因在雄性中的表達(dá)量是雌性的3倍[36]。將未交配的雄蛾暴露于雌蛾的性信息素?fù)]發(fā)范圍內(nèi)，GmolCXE1和GmolCXE5的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平顯著增加。這些酶在雄性中的大量表達(dá)，表明ODE參與了性信息素的的濃度調(diào)節(jié)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)種類的蛾類中，正是雌性產(chǎn)生并釋放這些信息化學(xué)物質(zhì)來(lái)吸引同種配偶。同時(shí)，當(dāng)幼蟲接觸新鮮成熟的食物時(shí)，頭部富集的基因GmolCXE13、GmolCXE14和GmolCXE21顯著上調(diào)，表明ODE同時(shí)也參與了食物氣味的降解。

3 家蠶嗅覺相關(guān)蛋白的研究展望

嗅覺是昆蟲行為的基礎(chǔ)。鱗翅目昆蟲作為研究昆蟲嗅覺蛋白的模型，而家蠶是鱗翅目中的寡食性昆蟲，其嗅覺機(jī)理的發(fā)現(xiàn)對(duì)于研究其他昆蟲的嗅覺系統(tǒng)具有一定的參考意義。

通過研究家蠶氣味結(jié)合蛋白、化學(xué)感受蛋白和氣味降解酶三大方面，闡明家蠶對(duì)環(huán)境中揮發(fā)物質(zhì)的識(shí)別機(jī)制和基本原理，一方面能揭示家蠶覓食、交配、繁殖等生物學(xué)機(jī)理，有助于闡明嗅覺調(diào)控昆蟲行為的本質(zhì)原因；另一方面對(duì)于改變家蠶的食性、提高家蠶飼喂效率或探索其他生物防治害蟲的新策略可以提供新的思路。近年來(lái)，人們利用自主篩選保留了廣食性品種家蠶GS01，研究發(fā)現(xiàn)其 BmOr39 與 BmOrJ 基因在化學(xué)感受器中的低表達(dá)使得GS01對(duì)普通顆粒人工飼料(桑葉粉添加含量低)的適應(yīng)性較好，具有良好的人工飼料飼養(yǎng)的實(shí)用化潛力[37]。還有研究利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)建立了具有截?cái)辔队X受體66(GR66)蛋白的純合突變家蠶品系，突變家蠶品系的苦味覺受體(GR)缺少GR66的編碼，對(duì)除桑葉外的植物表現(xiàn)出較好的取食行為[38]。利用基因編輯技術(shù)編輯或剪切影響昆蟲的基因片段，建立廣食性突變家蠶品系，或者利用人工飼料和非桑植物對(duì)非廣食性家蠶進(jìn)行廣食性品系的挑選培育，對(duì)人工飼料在生產(chǎn)中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)家蠶商品化生產(chǎn)具有重要意義，同時(shí)有助于對(duì)家蠶食性的進(jìn)一步研究。

家蠶嗅覺機(jī)制分子水平研究不斷深入，更多昆蟲的嗅覺相關(guān)蛋白被發(fā)現(xiàn)和鑒定，但還不足以系統(tǒng)全面地認(rèn)識(shí)和了解昆蟲的嗅覺系統(tǒng)。比如Orco基因不僅在嗅覺器官中表達(dá)，同時(shí)在胸部、腹部、生殖器、腸道等部位表達(dá)，Orco的功能還需要更深一步的研究；家蠶相比于野蠶更高的CSPs基因表達(dá)量在哪些方面發(fā)揮重要作用還有待解答；SNMP3作為嗅覺特異性膜蛋白卻并未有證據(jù)證明其參與嗅覺反應(yīng)，而在幼蟲中腸中特異性表達(dá)，并參與了蠶對(duì)病毒和細(xì)菌感染的免疫反應(yīng)。

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，分子生物學(xué)與基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)以及生物信息學(xué)的緊密結(jié)合，家蠶嗅覺機(jī)制將會(huì)被更好的了解，這對(duì)于廣食性家蠶的選育與工廠化養(yǎng)蠶也將起到重大促進(jìn)作用。