李亞紅

（山西大學(xué)應(yīng)用生物學(xué)研究所,山西太原 030006）

昆蟲谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶農(nóng)藥解毒與內(nèi)源代謝研究進展

李亞紅

（山西大學(xué)應(yīng)用生物學(xué)研究所,山西太原 030006）

谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（Glutathione S-transferase,GST）是生物體內(nèi)重要的解毒酶系之一，廣泛存在于動物、植物和微生物中。目前有關(guān)昆蟲GST的研究多集中在其對農(nóng)藥的抗性機制及代謝解毒方面，但深入的分子機制尚有待深入研究。本文結(jié)合國內(nèi)外昆蟲GST的最新研究成果以及課題組多年來對飛蝗GST的研究成果，著重從分子水平介紹昆蟲GST基因?qū)r(nóng)藥代謝解毒機制及其參與內(nèi)源物質(zhì)代謝機理的研究進展。對昆蟲GST分子機制的研究，將有助于深化對昆蟲GST的抗藥性機制和生理功能的認識，發(fā)現(xiàn)新的分子靶標(biāo)，為新型殺蟲劑的研發(fā)和農(nóng)林害蟲的防治提供新思路。

昆蟲；谷胱甘肽硫轉(zhuǎn)移酶；農(nóng)藥解毒；內(nèi)源代謝

谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶（Glutathione S-transferase，以下簡稱GST）是一類古老的基因超家族酶系，廣泛分布于細菌、真菌、植物和動物等幾乎所有的好氧生物體內(nèi)，參與生命體眾多的生理功能[1]。GST是生物體內(nèi)重要的II相解毒酶，可通過催化還原性谷胱甘肽（GSH）與有毒的疏水親電物質(zhì)發(fā)生軛合反應(yīng)，使之毒性降低，可溶性增強而排出體外，從而達到解毒的目的[2]。GST還廣泛參與生物體多種內(nèi)源物質(zhì)的生物合成與代謝，內(nèi)容涉及信號通路、嗅覺反應(yīng)、抗氧化脅迫、激素合成與代謝以及作為配體結(jié)合蛋白參與胞間物質(zhì)運輸?shù)榷喾N功能。

昆蟲GST研究主要集中在對農(nóng)藥的抗性和代謝解毒機制方面，但深入的分子機制尚不明確；與人和小鼠等模式生物相比，昆蟲GST參與內(nèi)源物質(zhì)代謝方面的研究報道相對較少。本文擬在大量文獻調(diào)研和對本領(lǐng)域多年研究積累的基礎(chǔ)上，就昆蟲GST基因?qū)r(nóng)藥代謝解毒機制及內(nèi)源物質(zhì)代謝機理的國內(nèi)外研究進展進行概述。

1 昆蟲GST基因在農(nóng)藥代謝解毒方面的研究

由于昆蟲GST超家族成員眾多、結(jié)構(gòu)相似、功能相近，導(dǎo)致昆蟲GST在農(nóng)藥代謝解毒方面的研究存在諸多困難。研究工作長期停留在GST理化性質(zhì)、酶學(xué)特征和推測其介導(dǎo)昆蟲抗藥性等方面。近年來，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，昆蟲GST的分子毒理學(xué)研究越來越引起重視，對一些昆蟲GST的農(nóng)藥解毒機制也已開展了深入探索。

Kristensen報道殺蟲畏、樂果和林丹抗性品系家蠅（Musca domestica）體內(nèi)的GST活性明顯提高[3]。Vontas等發(fā)現(xiàn)芐氯菊脂和氯氟氰菊酯抗性品系褐飛虱（Nilaparvata lugens）體內(nèi)GST的過氧化物酶活性提高[4]。Ranson等報道岡比亞按蚊（Anopheles gambiae）的 DDT抗 性 品 系 體 內(nèi)AgGSTe2基因表達量是敏感品系的5倍，該酶參與岡比亞按蚊體內(nèi)90%以上的DDT降解反應(yīng)。本課題組前期工作表明飛蝗（Locusta migratoria）田間抗性種群的GST酶活力是實驗室敏感品系GST酶活力的1.2～2.0倍，據(jù)此推測GST參與飛蝗有機磷殺蟲劑的代謝解毒。

通過對殺蟲劑抗性昆蟲品系體內(nèi)過表達GST的深入研究，現(xiàn)已明確了部分昆蟲GST對殺蟲劑的代謝解毒機制。目前已知昆蟲GST通過以下4條途徑發(fā)揮作用：①GST催化GSH與殺蟲劑共軛結(jié)合，通過生成毒性較低的共軛物排出細胞。包括2種反應(yīng)方式：一種是O-脫烷基反應(yīng)，家蠅（Musca domestica）通過該途徑對殺蟲威產(chǎn)生抗性[5]；另一種是O-脫芳基反應(yīng)，小菜蛾（Plutella xylostella）通過該途徑對甲基對硫磷和對硫磷產(chǎn)生抗性[5]。②GST通過催化DDT的脫氯化氫反應(yīng)解毒[6]。它是大略按蚊（Anopheles dirus）、岡比亞按蚊（Anopheles gambi?ae）和埃及伊蚊（Aedes aegypti）等蚊科生物對抗有機氯滅蚊劑的主要方式[7]。③GST通過提高抗氧化活性來保護細胞免受農(nóng)藥導(dǎo)致的氧化損傷。褐飛虱（Nilaparvata lugens）GST具有谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）活性，能夠參與消除脂質(zhì)過氧化中間產(chǎn)物，達到抗氧化損傷的作用[4]。④GST作為配體蛋白，通過螯合作用，降低殺蟲劑的有效濃度。黃粉蟲（Tenebrio molitor）的GST可作為配體蛋白，通過被動隔離機制降低擬除蟲菊類農(nóng)藥的有效濃度，以產(chǎn)生解毒作用[8]。

2 昆蟲與模式生物GST基因在內(nèi)源代謝方面的研究

GST基因在昆蟲綱（3.5～4億年）形成前就在動物、植物和微生物界廣泛存在，昆蟲特有的epsilon和delta家族GST至少在雙翅目和鱗翅目出現(xiàn)分化前就已形成[9]。昆蟲GST的歷史遠比人類歷史（400～700萬年）要悠久得多。因此，在漫長的進化歷史中，昆蟲GST基因并不是因農(nóng)藥脅迫的壓力下而保留下來，選擇壓力更為恒定的內(nèi)源代謝和生理調(diào)節(jié)需求，乃至多樣的外界環(huán)境脅迫壓力才是眾多昆蟲GST基因保留和擴增的根本原因。目前，昆蟲GST內(nèi)源代謝和生理調(diào)節(jié)功能研究還非常薄弱。目前的研究主要集中在sigma和zeta家族GST中。

Sigma家族GST與微粒體GST參與前列腺素衍生物的生物合成。前列腺素在昆蟲多種生理功能中扮演重要角色，其啟動蟋蟀（Teleogryllus commo? dus）的產(chǎn)卵行為,介導(dǎo)昆蟲卵的發(fā)育,調(diào)節(jié)昆蟲馬氏管、直腸和唾液腺內(nèi)液體的分泌過程,還參與昆蟲因微生物感染和寄生蟲入侵所引起的多種免疫反應(yīng)[10]。前列腺素衍生物合成途徑可以概括為如下步驟：磷脂酶A2催化膜磷脂生成花生四烯酸；花生四烯酸在環(huán)氧合酶的作用下轉(zhuǎn)化為前列腺素H2，后者作為通用底物，在自發(fā)或酶催化作用下經(jīng)消旋、氧化或還原反應(yīng)生成一系列前列腺衍生物，包括前列腺素D2、前列腺素E2和前列腺素F2α等。家蠶（Bombyx mori）和雞蛔蟲（Ascaridia galli）的sigma家族GST能夠催化前列腺素H2生成前列腺素E2[11]。

酪氨酸先后在酪氨酸轉(zhuǎn)氨酶、雙加氧酶作用下生成馬來酰乙酰乙酸；后者在馬來酰乙酰乙酸消旋酶（zeta家族GST）、富馬酰乙酰乙酸水解酶催化作用下生成富馬酸和乙酰乙酸；馬來酰乙酰乙酸也可經(jīng)過馬來酰乙酰乙酸脫羧酶和zeta家族GST作用生成富馬酰醋酸。Zeta GST缺陷型小鼠（GSTz1-∕-）會出現(xiàn)馬來酰乙酰乙酸及其衍生物的富集，進而導(dǎo)致明顯的氧化壓力、引起其余GST家族成員的補償性上調(diào)以及肝臟、腎臟和脾臟異常等一系列問題。

3 小結(jié)

綜上所述，GST不僅參與昆蟲對農(nóng)藥等外源化合物的解毒過程，而且在昆蟲和模式生物的內(nèi)源代謝方面也起著非常重要的作用。昆蟲谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶在內(nèi)源和外源代謝方面的研究，必將為發(fā)現(xiàn)新的分子靶標(biāo)和新型殺蟲劑的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)，也為飛蝗的合理的防治提供新的思路。

[1]Ketterman A J,Saisawang C,Wongsantichon J.Insect glutathione transferases[J].Drug Metab Rev,2011,43(2):253-265.

[2]Frova C.Glutathione transferases in the genomics era:New insights and perspectives[J].Biomol Engin,2006(4),23:149-169.

[3]Kristensen M.Glutathione S-Transferase and Insecticide Resistance in Laboratory Strains and Field Populations of Musca domesti?ca[J].J Econ Entomol,2005,98(4):1341-1348.

[4]Vontas J G,Small G J,Hemingway J.Glutathione S-transferases as antioxidant defence agents confer pyrethroid resistance in Nilaparvata lugens[J].Biochem J,2001,357(1):65-72.

[5]Enayati A A,Ranson H,Hemingway J.Insect glutathione transferases and insecticide resistance[J].Insect Mol Biol,2005,14(1): 3-8.

[6]Low W Y,Feil S C,Ng H L,et al.Recognition and Detoxification of the Insecticide DDT by Drosophila melanogaster Glutathione STransferase D1[J].J Mol Biol,2010,399(3):358-366.

[7]Lumjuan N,Rajatileka S,Changsom D,et al.The role of the Aedes aegypti Epsilon glutathione transferases in conferring resistance to DDT and pyrethroid insecticides[J].Insect Biochem Mol Biol,2011,41(3):203-209.

[8]Kostaropoulos I,Papadopoulos A I,Metaxakis A,et al.Glutathione S-transferase in the defence against pyrethroids in insects[J]. Insect Biochem Mol Biol,2001,31(4-5):313-319.

[9]Friedman R.Genomic organization of the glutathione S-transferase family in insects[J].Mol Phylogene Evol,2011,61(3):924-932.

[10]Stanley D W,Goodman C,An S,et al.Prostaglandin A2 influences gene expression in an established insect cell line(BCIRLHzAM1)cells[J].J Insect Physiol,2012,58(6):837-849.

[11]Yamamoto K,Suzuki M,Higashiura A,et al.Three-dimensional structure of a Bombyx mori Omega-class glutathione transferase [J].Biochem Bioph Res Co,2013,438(4):588-593.

The Progress in the Research of Insect GST on Insecticide Detoxification and Endogenous Metabolism

LI Ya-hong
(Institute of Applied Biology,Shanxi University,Taiyuan Shanxi,030006)

Glutathione S-transferase(GST)are important detoxification enzymes that exist in animals,plants and microorgan?isms.At present,the study of insect GST is mainly focused on insecticide resistance and metabolic detoxification mechanisms,but ex?haustive molecular mechanism are rarely reported.In this review,we summarized the latest research of insect GST with a focus on the molecular mechanisms of insecticide detoxification and endogenous metabolism.The research on molecular mechanism of insect GST will help researchers to understand the insecticide resistance mechanism and physiology function,to facilitate finding new molecular targets,and then it can provide new ideas for the insecticide development and pests control.

insect；glutathione S-transferase；detoxification；endogenous metabolism

Q966

A

1674-0874(2014)04-0049-03

2013-10-20

李亞紅（1990-），女，山西臨汾人，在讀碩士，研究方向：分子毒理與害蟲防治。

〔責(zé)任編輯 楊德兵〕