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蓝谷学术动态 山东大学生命科学学院赵小凡教授团队揭示蜕皮激素通过重编程氨基酸代谢调控昆虫变态发育

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近日,山东大学生命科学学院赵小凡教授团队在Cell Reports发表了题为“20-hydroxyecdysone reprograms amino acid metabolism to support the metamorphic development of Helicoverpa armigera”的文章,揭示蜕皮激素通过重编程氨基酸代谢调控棉铃虫变态发育。

完全变态昆虫一生经历胚胎、幼虫、蛹和成虫等不同发育时期,在幼虫期通过取食获得营养物质,供给幼虫生长发育,从末龄幼虫晚期经历蛹至成虫羽化的变态发育期则停止取食,通过分解幼虫组织来维持生存和成虫组织发育必需的能量和物质,变态期血淋巴中代谢物包括氨基酸的变化、调控机制,及与组织重塑的关系尚不清楚。

蜕皮激素(20-hydroxyecdysone,20E)是促进昆虫变态发育的主要激素,包括抑制取食行为,促进幼虫组织自噬和凋亡,使虫体从摄取食物获取能量的代谢方式转变为分解幼虫组织获取能量的代谢方式。研究团队通过测定棉铃虫(Helicoverpa armigera)幼虫生长期(6th-24 h)、游走期(6th-96 h)和蛹期(P6)的血淋巴代谢组,发现血淋巴中的代谢产物在棉铃虫发育过程中发生显著变化,其中,精氨酸、α-酮戊二酸和谷氨酸被鉴定为生长期、游走期和蛹期的标志代谢物。实验发现精氨酸水平在幼虫生长期高,主要功能是促进幼虫细胞增殖;α-酮戊二酸水平在游走期高,主要功能是促进幼虫细胞自噬;谷氨酸水平在蛹期高,主要功能是促进成虫细胞增殖。在变态期,蜕皮激素通过抑制精氨基琥珀酸合成酶(argininosuccinate synthetase,Ass)的表达,抑制精氨酸合成,并通过促进精氨酸酶(arginase,Arg)的表达,促进精氨酸分解,从而使血淋巴中的精氨酸在进入游走期后含量较取食期大幅下降。谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase,GDH)在取食期和游走期幼虫的中肠中高表达,促进食物中的谷氨酸转变为α-酮戊二酸,使α-酮戊二酸含量在游走期升高。进入蛹期后,α-酮戊二酸在脂肪体中高表达的另一种谷氨酸脱氢酶(glutamate dehydrogenase-like,GDH-like)的作用下转变为谷氨酸,加之变态期细胞自噬产生的游离氨基酸也转变为谷氨酸,从而使血淋巴中的谷氨酸在蛹期大量增加,供给成虫发育。蜕皮激素依赖浓度梯度抑制GDH表达并促进GDH-like表达。因此,在变态发育中,蜕皮激素通过调控氨基酸代谢途径中关键基因的表达重编程氨基酸代谢,以支持棉铃虫变态发育所需的物质和能量。

山东大学生命科学学院博士研究生王晓培为文章的独立第一作者,赵小凡教授为文章的独立通讯作者,山东大学为独立署名单位。赵小凡教授课题组以重大农业害虫棉铃虫为研究对象,长期研究激素调控昆虫生长发育的分子机理,在PNAS, Cell Reports, Autophagy, PLoS Genetics, Development,JBC等学术期刊发表了系列研究成果,揭示了蜕皮激素调控昆虫变态发育的分子机制,为害虫防治提供了理论基础和靶标基因。

 本文亮点:发现了类固醇激素20E通过调控基因表达重编程氨基酸代谢,揭示了氨基酸代谢与组织重塑的关系,为深入研究类固醇激素调控氨基酸代谢及细胞命运提供了新的理论知识,为害虫防治提供了理论基础和靶标基因。

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