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昆虫气味结合蛋白特性与功能研究

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《蜜蜂杂志》2018年第1期

摘要:昆虫气味结合蛋白是参与昆虫气味应答过程的一种重要嗅觉蛋白。迄今,国内外学者对该蛋白的研究已较为详尽。本文概述了其理化及表达特性、生理功能方面的研究进展,并对该蛋白的研究方向进行了展望。

关键词:气味结合蛋白;结构;特性;表达;功能

昆虫气味结合蛋白大多存在于其体内化学感受器的淋巴液中,对于昆虫相关生命活动起着不可替代的作用。20世纪80年代,生物学家Pelosi等[1]发现了昆虫气味分子结合蛋白(OdorantBindingProteins,OBPs),由此开辟了昆虫学研究的一个重要方向。

1昆虫气味结合蛋白的基本理化特性

1.1物理特性

昆虫气味结合蛋白的一级结构特征,已有较多报道。该蛋白为一种球状水溶性小分子蛋白,分子量在几万道尔顿左右,如核桃举肢蛾(Atrijuglanshetaohei)AhetPBP2的分子量为19.26kD[2]。昆虫气味结合蛋白多肽链全长一般为120~180个氨基酸,如苹果蠹蛾(Cydiapomonella)CpomPBP2编码169个氨基酸[3]。此外,昆虫气味结合蛋白的高级结构特性,也被逐一发现。一般情况下,OBPs具6个保守半胱氨酸残基和类似的次级结构[4]。譬如,华北大黑腮金龟(Holotrichiaoblita)HoblOBP2具有由6个α螺旋区域构成的三维结构,其包含的6个保守的半胱氨酸形成了3对二硫键[5];而二化螟(Chilosuppressalis)CsupOBP1和松墨天牛(Monochamusalternatus)MaltOBP6只含有4个保守的半胱氨酸位点[6,7]。另OBPs氮末端有一段信号肽(信号肽通常由20个左右氨基酸构成),如组成苜蓿盲蝽(Adelphocorislineolatus)AlinOBP1和绿盲蝽(Apolyguslucorum)AlucOBP7氮末端疏水区的信号肽的氨基酸个数均为18[8,9]。也有特殊案例,小菜蛾(Plutellaxylostella)PxylOBP13氮端就不存在信号肽序列[10]。气味结合蛋白三维结构的预测,主要是通过同源模建法,该方法表明,三维结构下,昆虫气味结合蛋白由6个α-螺旋构成,且其中的5个α-螺旋构成锥形的疏水口袋结构。目前,该方法已成功运用于蔷薇科斜条卷叶蛾(Choristoneurarosaceana)、紫色卷蛾(Choristoneuramurinana)、棉红铃虫(Pectinophoragossypiella)、烟夜蛾(Heliothisassulta)、甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)、云南切梢小蠹(Tomicusyunnanensis)的气味结合蛋白三维结构预测中。据报道,以上5种昆虫的气味结合蛋白的6个保守的半胱氨酸形成的3个二硫键能起到稳定三维结构的作用[11~16]。

1.2化学特性

一般认为,昆虫气味结合蛋白是一种酸性蛋白,等电点大多偏酸性(表1),如烟实夜蛾(Helicoverpaassulta)信息素结合蛋白HassPBP3和东亚飞蝗(Locustamigratoria)LmigOBP1的等电点分别为5.44和4.99[17,18]。然而,也有一些昆虫气味结合蛋白的等电点大于7,为碱性蛋白,如中华蜜蜂(Apiscerana)AcerOBP10和大草蛉(Chrysopapallens)CpalOBP1的等电点分别为7.86、8.17。

2昆虫气味结合蛋白的表达特性

2.1表达部位

昆虫气味结合蛋白广泛分布于昆虫的头、胸、腹、足、体壁、味觉感器及脂肪体中,且分布于各部位的感觉树突周围的淋巴液中。昆虫的触角位于头部,是昆虫气味结合蛋白表达的最重要部位,其浓度高达10mmol/L[37],如绿盲蝽(Apolyguslucorum)AlucOBP8表达的主要部位是雌雄成虫的触角[29]。除触角外,昆虫气味结合蛋白还分布于头部的附属器官(下颚须、下唇须等),以及昆虫的翅、足、性腺。例如,金边胡蜂(Vespacrabra)和胡蜂(Polistesdominulus)的OBPs在触角、足和翅中均有表达[38]。然而,有的昆虫触角并没有OBPs,如蜜蜂(Apissp.)OBP3分布于除触角以外的其他各个身体部位[39]。此外,昆虫的唾液也会有OBPs,如致倦库蚊(Culexpipiens)唾液中被检测到OBPs[40]。

2.2昆虫气味结合蛋白表达量的情况

①不同器官中的表达量同种昆虫气味结合蛋白在不同器官中的表达量存在较大差距。例如,丽蝇蛹集金小蜂(Nasoniavitripennis)NvitOBP在雌雄虫触角中表达量明显高于头部和足中,而其在胸、腹中的表达量为零[34];绿盲蝽(Apolyguslucorum)AlucOBP8在雌、雄触角中表达量分别是雄虫腹部表达量的380、525倍,且在雌雄成虫口器、雄虫翅中少量表达;小菜蛾(Plutellaxylostella)PxylOBP2在足中的表达量高于其他组织[41]。此外,不同昆虫气味结合蛋白在不同器官中的表达量也存在一定差异,如大豆蚜(Aphisglycines)AglyOBP2、AglyOBP7、AglyOBP9在触角中的表达量明显高于在其他组织,而该虫的AglyOBP3、AglyOBP4、AglyOBP8在头、胸、足中的表达量显著高于触角[30]。

②不同发育阶段等生理状态下的表达量气味结合蛋白的表达与昆虫虫态、成虫日龄等不同生理状态有关。如白纹伊蚊(Aedesalbopictus)OBP68在幼虫、蛹及雌雄成虫都有表达,而在幼虫中表达量较低[42]。成虫期家蚕(Bombyxmori)GOBP1、GOBP2触角的表达量大于蛹期触角[43];幼虫和蛹期的蜜蜂(Apissp.)OBP13表达量大于其他虫态[39];随着雌性大螟(Sesamiainferens)成虫日龄的增加,其2个普通气味结合蛋白SinfGOBP1和SinfGOBP2表达量上升[26];麦长管蚜(Sitobionavenae)OBP3在若虫的4龄期出现表达量高峰[44]。在其他不同的生理状态下,表达量也会不同。如小菜蛾(Plutellaxylostella)PxylOBP2在未交配雄性成虫中的表达量明显高于已交配雄虫[41];未食血的白纹伊蚊(Aedesalbopictus)雌蚊头部AealOBP46表达量明显低于饱血后的雌蚊[45]。昆虫发育的生物型也影响气味结合蛋白表达,如与无翅成虫大豆蚜(Aphisglycines)的AglyOBP2、AglyOBP3、AglyOBP4、AglyOBP8、AglyOBP9表达量相比,有翅成蚜表达量均呈增加趋势[30]。

③不同性别中的表达量信息素结合蛋白(PBP)或普通气味结合蛋白(GOBP)在雌雄个体表达量方面的情况,已出现较多报道。一般情况下,雄性个体的PBP表达较多,而雌性个体的较少[46]。周耀振等[47]研究发现雄性甜菜夜蛾(Spodopteraexigua)的信息素结合蛋白基因SexiPBP1表达量高于雌性。家蚕(Bombyxmori)成虫PBP只特异性地在雌性个体触角中表达,而在雄性个体相应部位中未见表达[48]。小菜蛾(Plutellaxylostella)PxylOBP31主要在雄蛾中表达,在雄蛾触角中的表达量比雌蛾触角中高近2倍[49]。有些昆虫的气味结合蛋白只在昆虫锥形感受器上表达,性别对气味结合蛋白的表达量没有明显影响,金俊彦等[26]报道,雌性大螟(Sesamiainferens)的2个GOBP表达量与雄性的均无显著差异。

3昆虫气味结合蛋白的生理功能

早期研究者们已验证了OBPs确实在昆虫嗅觉反应过程中发挥了作用。嗅觉神经元周围淋巴液中的气味结合蛋白在推动气味分子与气味受体的结合及嗅觉反应的灵敏度方面起着重要的作用[50]。Steinbretcht等[51]认为气味结合蛋白发挥的主要生理功能是识别气味分子及信号转导。目前研究者们提出的有关OBPs的生理功能大致概括为以下几个方面。

3.1对特异气味分子的识别和结合

昆虫嗅觉感受器是一个存有大量感器淋巴液的腔,双向感觉神经元上有十分发达的树突,分布于淋巴液中。微孔分布于嗅觉感器表皮上,是允许气味分子通过感器的狭小“走廊”。当气味分子通过微孔后,主动与淋巴液中的OBPs结合,进而发生嗅觉反应[52]。OBPs这类蛋白可能起到捕获或激活气味分子的作用[45]。在气味识别中能特异性结合一定类别气味分子,起外周滤器作用[51]。如麦长管蚜(Sitobionavenae)气味结合蛋白多倾向于识别与结合主碳链原子数不超过8的小分子挥发性气味分子[44]。信息素结合蛋白就是特异性地结合昆虫性外激素;普通气味结合蛋白GOBP能结合外界不同来源的气味分子,包括一些植物自身散发出的挥发物,如茶尺蠖(Ectropisobliqua)EoblGOBP2与茶树叶片的7种挥发物都具有很强的结合能力[53]。昆虫GOBP2也能结合一些信息素分子[54]。如豌豆蚜(Acyrthosiphumpisum)ApisOBP3是第一个被鉴定的能特异结合E-β-法尼烯(E-β-farnesene,EBF)的昆虫气味结合蛋白[55]。小菜蛾(Plutellaxylostella)PxylOBP31与醛、酮、萜品油烯以及邻苯二甲酸二异丁酯等物质的结合能力较强,与3种性信息素及其他烯烃与酯类结合能力弱[49]。

3.2结合、运载特定气味分子

进入淋巴液中的疏水性的气味分子要通过一种载体运输到嗅觉神经元上的气味受体ORs上,而OBPs就是通过与特定脂溶性气味分子的结合,形成水溶性的复合物穿过感器淋巴液后到达ORs,通过这种方式高效运输。空气中的疏水小分子是陆生动物的主要气味源,到达动物的嗅觉受体需要穿过亲水性介质,如脊椎动物的黏液、昆虫的感受器淋巴液[56],气味结合蛋白OBPs是在昆虫触角内高浓度存在的一种酸性蛋白,能够和进入触角的脂溶性气味物质结合并转运到感受神经元的受体部位,是昆虫嗅觉发挥功能的第一步[26,50]。

3.3使完成刺激的气味分子迅速失活

基于外界气味分子变化不定,尤其体现在浓度方面,因而需要快速使受体上相应的气味分子失活,从而让昆虫能敏感感知不同的气味分子。关于这种失活机理,多种模型已被提出。一种模型认为是由于气味降解酶发挥的降解作用导致,即气味分子的失活最终在酶解时期完成。如有研究者认为性信息结合蛋白PBP与醛类性信息素P-AL结合后,最终失活P-AL的酶是乙醛氧化酶或者谷胱甘肽-S转移酶[57]。另一模型认为气味结合蛋白发挥了清除作用。如有学者认为性信息素最开始进入感器内腔时,结合的是还原型的PBP。其二者形成的复合物与气味受体会进一步形成新的复合物,此复合物能改变还原型的PBP为氧化型的PBP。而正是此种特殊型态的PBP失活了性信息素[58]。

4展望

目前研究昆虫的气味结合蛋白的经典方法,主要是从昆虫触角中分离与纯化。对于触角很小的昆虫,研究者们大多运用克隆技术获得相应的目的基因,再通过原核表达的方法获得目的蛋白。至今,利用分子生物学实验技术获得了大量昆虫气味结合蛋白,其中还开展了一些蛋白与十几种甚至几十种挥发性分子的结合实验,补充和完善了一些有价值的资料,为其相关功能机制的进一步揭示提供了数据。对于昆虫气味结合蛋白的相关研究也在不同方面逐步深入,如其有关特性功能的进一步挖掘和机制模型的进一步探索在未来可能依旧是热点。

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作者:杨安1,2,郭玲1,2,蒋杰贤1,张浩1,季香云1 单位:1.上海市农业科学院生态环境保护研究所,2.上海海洋大学水产与生命学院

蜜蜂杂志责任编辑:张雨    阅读:人次