保幼激素及其生理学作用的研究进展
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【摘要】 保幼激素（JH）是在昆虫咽侧体内通过甲羟戊酸途径合成的一类倍半萜类化合物，分泌后进入血淋巴，调节昆虫的生长发育、变态及生殖等生理学功能。本文主要综述了近年来JH的生物合成与代谢以及对昆虫的生理效应，尤其是对卵黄发生的调节方面的研究，以期对保幼激素在昆虫卵黄发生调节过程中有更全面和深入的了解。
【关键词】 保幼激素； 生物合成； 作用模式； 卵黄发生； 保幼激素调节
Advances in studies on insect juvenile hormone and vitellogenesis regulated by juvenile hormone LI Juan, ZHOU Jiao, LUO You-qing,et al.Beijing Forestry University,Beijing 100083,China
【Abstract】 Juvenile hormones（JHs） is a group of acyclic sesquiterpenoids found in insects that is synthesized from the corpora allata（CA） through the mevalonate pathway and secreted to the hemolymph. It regulates many aspects of insect physiology, such as development, metamorphosis and reproduction. Among the various facets of JHs function, this review mainly focuses on the biosynthesis and metabolism of JHs and its physiological effects, especially on vitellogenesis.
【Key words】 Juvenile hormones; Biosynthesis; Mode of action; Vitellogenesis; Regulation of JHs
doi:10.3969/j.issn.1674-4985.2012.03.099
昆虫的生长发育及变态主要受脑神经分泌细胞产生的促前胸腺激素（prothoracicotropic hormone, PTTH）、前胸腺分泌的蜕皮激素（Ecdysone, E）和咽侧体分泌的保幼激素（Juvenile hormone, JH）等3种昆虫激素所调节。PTTH是能够刺激前胸腺分泌E的激素；JH和E是存在于昆虫等节肢动物中最重要的激素，能直接调节昆虫的生长发育、变态及生殖等生理学功能，其中JH的作用是通过E的作用共同体现出来的[1]。近年来，随着细胞生物学和分子生物学的发展，在JH的合成与代谢以及对卵黄发生的调节等方面取得了较大的发展。
1 JH的生物合成
JH是最重要的一类昆虫激素，Wigglesworth（1934）首次从昆虫头部发现。并已证明JH是由附着于脑的一对分泌器官――咽侧体（corpora allata, CA）合成并分泌到血液中的一类倍半萜类化合物[2]。目前已证明有7种天然JH的存在。它们分别是JH0、JHⅠ、JHⅡ、JHⅢ、4-methyl-JHⅠ、JHⅢ-bisepoxide和Methyl farnesoate，其中起主要生理作用的是JHⅢ[3]。
1.1 JH的合成途径 JH是通过甲羟戊酸途径合成的倍半萜类化合物。其合成途径可以概括为5大步骤：乙酰-COA甲羟戊酸（mevalonic acid）异戊烯醇焦磷酸（isopentenyl pyrophosphate, IPP）法尼焦磷酸（farnesyl pyrophosphate, FPP）法尼酸（farnesoic acid, FA）JHⅢ[4]。JH的合成途径与胆固醇及其衍生物（固醇类物质）的合成途径在FPP合成之前的所有步骤都完全一样。但是，由于昆虫缺乏鲨烯合成酶和羊毛脂固醇合成酶，FPP合成之后，不能合成固醇类物质，而是沿着一条独特的途径合成JH。
JH的合成途径因昆虫种类的不同而异。在大多数昆虫中，在S-腺苷甲硫氨酸（SAM）存在的情况下，法尼酸甲基转移酶（FA methyltransferase）转移甲基到法尼酸（FA），生成甲基法尼酯（MF）。然后，MF由甲基法尼酯环氧酶（MF epoxidase）环氧化生成JH；而在鳞翅目昆虫中，法尼酸可先由法尼酸环氧酶（FA epoxidase）环氧化生成保幼激素酸（JHA），JHA甲基转移酶（JHAMT）再转移甲基到JHA生成JH。即在鳞翅目昆虫中，先环氧化再进行甲基转移[5]。
1.2 JH的合成场所 研究表明，JH是由昆虫头部脑附近的CA合成并释放的。CA来源于外胚层，内部充满了光面内质网的腺细胞，其合成JH的速率很高，但是合成的JH并不储存于腺体内，而是通过质膜进入腺体胞外间隙，然后释放到血淋巴中，与血淋巴中的JH结合蛋白或是与来自脂肪体的载体蛋白相结合，将JH运送到靶细胞[6]。
1.3 JH合成的调节 血淋巴中JH滴度是影响昆虫正常发育的关键因素。一般认为，血淋巴中JH滴度是由JH的合成及代谢共同维持和调节的，即昆虫脑通过分泌神经肽类物质-促咽侧体素（allatotropin, AT）、抑咽侧体素（allatostatin, AS）[7]来调节CA合成及分泌JH的量，并与血液中的JH酯酶（JHE）和细胞质中的JH环氧水解酶（JHEH）等一同精妙地控制着JH在血液中的浓度。在CA中，JH的合成能力是影响血淋巴中JH滴度变化的主要因素，JH的合成能力一方面取决于CA合成的活性，其活性受到多个因子的调节：神经肽类如AT、AS及20-羟基蜕皮酮（20-hydroxyecdysone, 20E）（E的活性形式）；另一方面受到JH合成过程中的酶的mRNA表达水平的调节，主要是HMGR和JHAMT（JH合成过程中的关键酶）[8]。
除此之外，昆虫的营养状况及生殖状况也影响JH的合成。Caroci[9]对埃及伊蚊进行了研究，营养不良时，埃及伊蚊成虫个体变小，蛋白、脂质和糖原含量明显偏低，小成虫CA合成JH的能力明显下降，喂糖或血后则能促进CA的JH合成，说明必须在营养储备足够的情况下，CA才能产生足够多的JH。蟋蟀雌成虫中，卵巢发育程度对CA内JH的生物合成影响显著，摘除卵巢后，CA内JH生物合成受到持续的抑制[10]。太平洋折翅蠊的雌虫中，卵黄发生期间的卵巢可以促进CA内JH的合成，而成熟的卵巢则抑制CA的合成活性，说明JH的合成受到生殖状况的影响[11]。总之，营养水平、生殖发育状态对JH的合成都有影响，但是具体分子作用机制尚待深入研究。
2 JH的作用模式
昆虫的蜕皮过程受两种激素的共同调节，一种是类固醇激素20E，另一种是倍半萜类化合物JH。JH可以直接或通过调节PTTH的释放间接地调节20E的生物合成和分泌，昆虫血淋巴中这两种激素的浓度变化，可诱发昆虫幼虫的蜕皮以及变态的发生，20E启动与调整蜕皮的过程，JH规定每次蜕皮后昆虫的发育方向，即发育为幼虫或产生变态形成蛹和成虫。
2.1 JH与20E相互作用机制 在昆虫幼虫时期，CA合成并分泌的JH含量高，与20E一起促使幼虫蜕皮。高水平的20E和JH，使E75A（JH诱导的转录因子）的RNA在其他早期基因（ECR-B,E74A）转录前出现。E75A一方面可加速激活JH诱导的基因，另一方面也抑制E75A自身的表达，同时抑制包括BR-C在内的20E诱导的早期基因的表达，说明JH与20E一起促使幼虫向更高龄幼虫的转变[12]。在末龄幼虫时期，CA分泌JH的量很少，此时，前胸腺照常分泌20E，二者相互作用促使幼虫到蛹的变态过程。在分子调节机制方面，在20E存在而JH不存在的情况下，20E可激活一系列早期基因（BR-C,E74,E75）的表达，从而开始幼虫向蛹期的变态过程。一旦20E激活了BR-C基因的表达，即使JH大量存在时也不会抑制蛹的产生。蛹羽化时期，CA停止分泌JH，大量20E促使昆虫发育为成虫[12]。JH不存在，BR-C也无活性，高水平的20E抑制BR-C基因的表达，从而抑制蛹的基因表达，但是减弱了对成虫基因的抑制，从而表达成虫基因，使蛹向成虫转化。成虫时期，雌虫的CA被重新激活并分泌JH，JH对雌虫的胚胎发育及卵的成熟等过程发挥了非常重要的作用，而关于JH与20E的相互作用目前却了解甚少[12]。
2.2 JH受体 JH是通过结合细胞膜上的受体Met及核受体USP引起蛋白激酶C信号通路及Ca2+的信息传递而实现其生物学作用[13]。USP只在高等昆虫如鳞翅目、直翅目中观察到，然而其同源基因可在甲虫、不完全变态昆虫（如蝗虫、蟑螂）及甲壳纲动物中观察到，并且在配体结合区域与RXR有70%的一致性。当20E含量高时，USP与配体20E结合，再结合至反应元件上，引起反应元件构象改变，从而诱导20E调节的一系列基因的表达[14]。Jones and Wozniak发现USP作为一个同源二聚体与JH结合后，USP的构象发生显著改变，USP可特异性地与JH反应元件DR12结合。若USP在配体结合区域发生点突变就不再与JH结合，反而成为抑制JH诱导转录的抑制子，表明了JH诱导转录需结合USP同源二聚体，并且不需要EcR的参与[15]。遗憾的是，因为USP和JH的结合活性很低，所以不能说明USP是否是JH的受体。最近有研究显示，甲基法尼酯（MF）与USP的结合能力高于JHⅢ，晶体结构研究还显示在USP的配体结合区域具有一个适合JH和甲基法尼酯结合的位点。所以至今都无法确凿地证明或者排除USP就是JH受体。
Met是JH受体的一个最佳候选基因，至少可以证明Met在JH的下游以及BR-C的上游发挥作用。果蝇Met基因编码一个碱性的螺旋-环-螺旋蛋白，这个蛋白中包含了一个bHLH-PAS转录因子，具有典型的DNA结合结构域。免疫细胞化学研究显示Met定位于早期胚胎、幼虫脂肪体、成虫卵巢和雄性附腺等多种组织的核内[16]。JH不仅能强烈特异性地结合Met，还能迅速地诱导Met的转录活性，所以说Met是JH受体的最佳候选基因。
JH在昆虫的幼虫生长、蛹期变态、成虫生殖过程中发挥了非常重要的作用。对于鳞翅目等大多数昆虫而言，JH可以阻止E起始变态，从而维持幼虫的性状。因此，JH被称为一种“status quo”（维持原状的）激素。除此之外，JH可以调节大多数昆虫成虫的生殖，包括雌虫卵巢和雄虫附性腺的发育等。
3.1 JH对幼虫生长与蛹期变态的调节 JH在保持幼虫形态、性状作用时，主要是通过与E协同连续地作用来完成的。以鳞翅目昆虫为例，在JH存在的条件下，E分泌仅能使幼虫蜕皮形成幼虫不能蛹化，而到幼虫终龄期，当JH在血淋巴中的含量逐渐下降至消失，只要有E分泌，就能引起蜕皮化蛹，此时即使给予再多的外源JH也不能使虫体逆转向幼虫蜕皮。Hiruma等[17]的研究结果表明，幼虫体内含有幼虫及蛹特有的表皮蛋白基因。幼虫蜕皮中合成的幼虫型表皮蛋白质因E作用而暂时受到抑制，蜕皮后在JH的存在下，幼虫型蛋白质再恢复合成，保持幼虫形态。而当终龄期决定化蛹时，JH含量减少，由于E的存在，使幼虫型表皮蛋白质完全停止合成，而促进蛹型表皮蛋白质的合成[17]。因而通过JH和E的分泌、调节，使得幼虫型和蛹型的基因在不同时期表达，从而决定幼虫蜕皮或是化蛹蜕皮。在蛹期时，JH的缺乏激发成虫发育。
3.2 JH对成虫生殖的调节 JH是成虫生殖腺成熟作用必需的内分泌激素，与幼虫期因保持幼虫形态、性状而与E协同作用不同，在成虫期，JH是独立且直接作用的，其主要是雌性成虫中CA合成的JH调节昆虫的生殖。而在雄虫的雄性附腺（MAG）中也会合成JH，但是其不起调节作用，而是通过把JH转移到雌虫中，刺激雌虫的CA合成并释放JH，从而通过由E及JH参与的一系列内分泌过程促进卵的发育[18]。R.Parthasarathy等人在红缘天牛中的研究表明，JH缺乏使雄性生殖功能产生一系列不正常，能力减弱，转运贫乏，同时与JH缺乏的雄性后的雌性产卵量降低，后代数量减少[19]。JH的调节功能包括诸多方面：促进性腺的发育成熟和雌虫脂肪体的合成，调节卵母细胞的成熟及性外激素的释放，提高脂肪体卵黄原蛋白（Vg）的合成及卵巢对Vg的摄取，缩短雌虫的寿命等[19]。
3.2.1 昆虫的卵黄发生 卵黄发生是成虫生殖活动的中心内容，是卵成熟的关键，其直接影响昆虫的繁殖力，也是JH调节生殖的主要靶标。近年来，昆虫卵黄发生的研究是昆虫生理学中最活跃的研究领域之一。卵黄发生是由雌虫脂肪体合成卵黄原蛋白（Vg），释放到血淋巴中，通过Vg受体调节的内吞作用由卵母细胞选择性地摄取，Vg经翻译后修饰转变为Vn后，在卵母细胞内大量积累，是卵细胞发育成熟的必要前提。近年来，随着分子克隆技术、基因工程手段和生物信息学的发展，昆虫卵黄发生的研究热点主要集中在Vg的合成与调节、卵母细胞对Vg的摄取及其激素的调节机理[20]。
3.2.2 JH对卵黄发生的调节 昆虫的卵黄发生过程受到内分泌系统调节。激素对卵黄发生的调节分为激素对Vg的合成和对Vg摄取的调节。但不同昆虫中其激素调节方式有所不同。双翅目昆虫的Vg的合成由JH和E共同调节，E是诱导和维持脂肪体中Vg合成的主要因子，在卵黄发生启动后，Vg合成的维持及促进通过E来实现[21]；而对于直翅目、鳞翅目等大多数昆虫种类来说，JH是调节Vg合成的关键，其主要是对于成虫期仍取食的昆虫起作用，一般在蛹期产生卵母细胞，羽化后脑神经分泌细胞分泌神经肽再次激活CA分泌JH合成Vg，若摘除CA，便会抑制Vg的产生[22]。但在蛾类等鳞翅目昆虫中，成虫有取食和不取食两种类型，因而Vg合成启动时间不同，Vg合成的激素调节也不同，可分为几种类型：（1）成虫不取食，Vg合成一般在末龄幼虫体内JH浓度下降、E浓度上升时开始，即Vg是由E调节的，而JH抑制Vg的合成；（2）成虫能取食，Vg合成启动在隐成虫期，体内E下降，E抑制Vg的合成，在卵母细胞发育时需要JH；（3）成虫能取食，Vg合成启动在成虫期，Vg合成启动与维持完全依赖JH，E对其不起作用[23]。
昆虫Vg的摄取过程在埃及伊蚊中研究的较清楚，而且在其他昆虫中也得到证实。首先由脂肪体合成的Vg释放到血液中，进入到细胞滤泡间，通过卵黄被上的小孔，然后与卵母细胞膜上特异性Vg受体结合陷入细胞内形成内吞泡，内吞泡内由于能量的酸化导致Vg与受体分离，Vg进而被卵母细胞摄取[22]。在惜古比天蛾中发现卵黄发生期一启动即出现滤泡开放现象，与卵巢摄取Vg能力呈正相关，在卵黄发生后期消失。当卵黄发生期的滤泡移入无JH的培养液中，滤泡开放程度下降，加入JH可以恢复滤泡开放，从而影响Vg的摄取速率[21]。
综上所述，经过几十年的大量研究，对于昆虫JH已基本了解清楚。JH是在CA内通过甲羟戊酸途径合成的一类倍半萜类化合物，分泌后进入血淋巴，与其结合蛋白结合，在昆虫体内循环，通过扩散方式穿过细胞膜，进入细胞内，以某种方式与靶基因发生相互作用，实现JH调节昆虫生理的功能。即JH在幼虫阶段维持幼虫形态、性状；在成虫阶段，JH是调节生殖的重要激素。由于卵黄发生是成虫生殖活动的中心内容，直接影响昆虫的繁殖力，因而可作为JH调节生殖的主要靶标。人们已从多个方面来了解和挖掘JH的生理功能，这将有助于在实际生产生活中更适宜地运用JH及开发出无毒无污染的生物农药，用于防治和消灭害虫。
参 考 文 献
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（收稿日期：2011-12-20）