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昆蟲毒蕈堿型乙酰膽堿受體的分子進化、功能及藥理學研究

2014-12-09 09:13張雅林呂淑敏
環(huán)境昆蟲學報 2014年5期
關(guān)鍵詞:果蠅激動劑藥理學

姜 鳴,張雅林,呂淑敏

(西北農(nóng)林科技大學植保資源與病蟲害治理教育部重點實驗室,陜西楊凌 712100)

乙酰膽堿受體(acetylcholine receptor,AchR)是昆蟲神經(jīng)系統(tǒng)中一種十分重要的神經(jīng)遞質(zhì)受體,參與昆蟲各種神經(jīng)生理活動。與脊椎動物類似,在昆蟲體內(nèi)亦存在煙堿型(N 型)受體(nicotine acetylcholine receptor,nAchR)和毒蕈堿型 (M型) 受 體 (muscarinic acetylcholine receptor,mAchR)兩種受體。20 世紀90年代初,新煙堿型殺蟲劑成功研發(fā),其作用靶標N 型受體成為昆蟲分子生物學研究的一個熱點領(lǐng)域,學者們從藥理學和分子水平對其進行了廣泛而深入的研究(Barbara et al.,2008;尚慶利等,2009;趙宇等,2009)。但昆蟲M 型受體的研究遠遠落后于N 型受體。早在1981年Breer 提出昆蟲體內(nèi)存在M 型受體,1989年首次從果蠅Drosophilia melanogaster 體內(nèi)克隆獲得昆蟲第一個M 型受體基因序列(Onai et al.,1989),隨后通過蟲體藥理學和免疫組織化學方法研究發(fā)現(xiàn)M 型受體參與昆蟲神經(jīng)元軸突的延伸、表皮的形成(Clark et al.,2005),調(diào)節(jié)昆蟲的遷飛 (Oliveira et al.,2010)、鳴聲、求偶(Hoffmann et al.,2007;Heck et al.,2009)及學習記憶等行為 (Ismail et al.,2006;Guez et al.,2010),是農(nóng)藥開發(fā)的一個潛在靶標,具有很大的開發(fā)和應(yīng)用價值(Honda et al.,2007)。本文就國內(nèi)外對昆蟲M 型受體的研究進展作一簡要綜述,并對GenBank 中已上傳的昆蟲M 型受體序列進行分子進化分析。

1 毒蕈堿型乙酰膽堿受體概述

M 型受體是一種單鏈跨膜糖蛋白,分子量大約在51-66 kDa,由460-590 個氨基酸殘基組成(王昊等,2002),通過與異三聚體鳥苷酸結(jié)合蛋白(G 蛋白)偶聯(lián)介導信號轉(zhuǎn)導過程,屬于G 蛋白偶聯(lián)受體(G Protein Coupled Receptor,GPCR)超家族。此類受體的基本結(jié)構(gòu)特征是具有七個跨膜螺旋結(jié)構(gòu),其中七個跨膜區(qū)(TMI-TMVII)由三個胞外環(huán)(O1-O3)和三個胞內(nèi)環(huán)(I1-I3)連接而成,其氨基端位于細胞外側(cè),羧基端位于細胞內(nèi)側(cè)。隨著分子生物學的發(fā)展,目前已經(jīng)從脊椎動物體內(nèi)克隆獲得5種M 型受體亞型(Eglen et al.,1999;Richards,1991),這五個亞型之間氨基酸序列很相似,其中7 個跨膜區(qū)的氨基酸序列相似性最高,3 個胞外環(huán)和I1、I2 胞內(nèi)環(huán)也比較保守,變異較大的區(qū)域主要在N 末端、C 末端及第3 個胞內(nèi)環(huán),其中以第3 個胞內(nèi)環(huán)的變異最大,該區(qū)域是M 型受體與G 蛋白結(jié)合并引起生物學效應(yīng)的主要部位。根據(jù)這五個亞型所轉(zhuǎn)導的信號途徑不同又可分為兩大類即Ⅰ類(M1/M3/M5)和Ⅱ類(M2/M4):Ⅰ類是激活Gq,通過磷脂酸肌醇系統(tǒng),激活磷脂酶C (PLC),生成肌醇1,3,4,三磷酸(IP3)和甘油二酯(DAG),最終使細胞內(nèi)Ca2+濃度升高而發(fā)揮作用。Ⅱ類是激活Gi,抑制腺苷酸環(huán)化酶,從而降低胞內(nèi)cAMP 水平(Kohn et al.,1996;Eglen et al.,2001;Stefan et al.,2001)。而且這5種M 型受體亞型都可以被毒蕈堿激動劑激活,被阿托品所拮抗(Tobin et al.,2009;Harvey,2012)。有研究認為脊椎動物的第6 個M 型受體已被克隆 (Goodearl et al.,1999),但目前尚無M6 亞型的藥理學及生理功能方面的報道。于海龍等2007年通過生物信息學方法,從進化、序列相似性、表達相關(guān)性、蛋白互作等多個角度對M 型受體亞型之間的關(guān)系進行了研究,結(jié)果認為,脊椎動物M 型受體的5種亞型在某些組織中正表達相關(guān),呈現(xiàn)共表達趨勢,這提示著不同受體亞型在執(zhí)行不同的生理功能,并彼此相互調(diào)節(jié)。最近在脊椎動物的研究中發(fā)現(xiàn)膽堿能系統(tǒng)不僅參與神經(jīng)生理活動,而且還與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育及突觸結(jié)構(gòu)的維持密切相關(guān)(Wright et al.,2009;Abreu-Villaca et al.,2011),并參與細胞的增殖、程序性死亡及神經(jīng)細胞的分化(Resende and Adhikari,2009)。

昆蟲中,在果蠅全基因組序列獲得之前,藥理學研究認為昆蟲體內(nèi)亦存在多種M 型受體亞型,并提出昆蟲M 型受體的分型與脊椎動物M 型受體的分型不一定完全吻合(Hannan and Hall et al.,1993)。從1989年昆蟲的第一個M 型受體基因克隆,一直未從分子水平驗證昆蟲中存在其他M 受體亞型,直到2013年3月才發(fā)現(xiàn)昆蟲中存在兩種M 型受體,根據(jù)藥理學特征分為A 亞型和B 亞型,其中A 亞型受體與脊椎動物M 型藥理學特征類似,可被乙酰膽堿、毒蕈堿激動劑所激活,被經(jīng)典的拮抗劑阿托品、東莨菪堿 及二苯乙醇酸-3-奎寧環(huán)酯(QNB)所拮抗;而B 亞型受體藥理學特征與脊椎動物M 型受體差別較大,其可被乙酰膽堿激活,但對毒蕈堿敏感性要比乙酰膽堿低1000 倍,而上述經(jīng)典的拮抗劑對其不起作用(Collin et al.,2013)。因此,Collin 等將脊椎動物M 型受體的5個亞型歸于A 亞型受體。昆蟲A 亞型受體主要存在于神經(jīng)系統(tǒng),主要功能是參與神經(jīng)生理活動,是殺蟲劑的潛在靶標。由于昆蟲B 亞型受體剛發(fā)現(xiàn),對其功能研究甚少。

2 昆蟲M 型受體的克隆與表達

2.1 昆蟲M 型受體基因的克隆與分子進化

Onai 等1989年首次通過分子克隆方法從果蠅體內(nèi)獲得昆蟲的第一個M 型受體基因序列,命名為DM1,定位在果蠅第二條染色體的右臂,該受體與脊椎動物M3 受體序列的相似度最高。隨著分子生物學的發(fā)展,更多的昆蟲基因組序列被測序,通過電子克隆方法獲得了多個已知全基因組序列的昆蟲物種M 型受體序列A 亞型,隨著今年B 亞型受體的發(fā)現(xiàn),Collin 等(2013)對已知基因組的昆蟲及其他節(jié)肢動物B 亞型受體進行了電子克隆,發(fā)現(xiàn)在原口動物中存在多種B 亞型受體現(xiàn)象,但僅有1種A 亞型受體;而后口動物中僅存在A 亞型,未發(fā)現(xiàn)B 亞型存在。為了確定已知的昆蟲M型受體序列A 亞型及B 亞型與脊椎動物5 個亞型(同屬于A 型)之間的關(guān)系,我們選取GenBank 中收錄的12種昆蟲和3種蜱螨類A 亞型受體、5種昆蟲及1種蜱螨類B 亞型受體以及大鼠Rattus norvegicus 5 個M 受體亞型的氨基酸序列,利用Mega 5.0 軟件基于NJ 法構(gòu)建了分子進化樹如圖1所示。分子進化樹分析結(jié)果,恰與Collin 等對其藥理學分析一致。即具有相似藥理學特征的無脊椎動物A 亞型與脊椎動物M 型受體5種亞型聚為一支,而具有獨特藥理學特征的無脊椎動物B 亞型單獨聚為一支。在脊椎動物中,M 型受體各亞型分成的兩大分支剛好與藥理學的Ⅰ類和Ⅱ類相吻合。在無脊椎動物A 亞型中,昆蟲綱Insecta 與蛛形綱Arachnida 各聚為一支。昆蟲中,同翅目的豌豆蚜Acyrthosiphon pisum A 亞型從雙翅目和膜翅目中分離出來作為單獨一支,另一分支自上而下分別為膜翅目、鞘翅目和雙翅目A 亞型,并以物種間的親緣關(guān)系而聚類。相對于B 亞型來說,無脊椎動物與脊椎動物A 亞型受體在進化上是相對保守的,推測A 亞型可能是M 受體較古老的亞型,B 亞型可能是在A 亞型的基礎(chǔ)上突變進化而來,而脊椎動物A 亞型中的5 個亞型可能是A 亞型在進化中通過復制進化而來(Collin et al.,2013)。因此,無脊椎動物與脊椎動物的M 型受體分子可能在很早以前就已經(jīng)分化出來。但無脊椎動物M型受體除了A 亞型和B 亞型外是否還存在其他亞型?有關(guān)其分型問題有待于從分子生物學、藥理學及其他角度進一步探討。

2.2 昆蟲M 型受體的組織分布與功能

對昆蟲M 型受體的功能研究主要集中于A 亞型,B 亞型2013年才發(fā)現(xiàn),對其研究甚少。昆蟲第一個M 型受體基因被克隆后,有關(guān)其組織分布及功能研究受到廣泛關(guān)注。目前已經(jīng)對雙翅目、鱗翅目、膜翅目等多種昆蟲的M 型受體A 亞型進行了免疫組織化學定位研究?;诠塂M1 多克隆抗體的免疫細胞化學研究發(fā)現(xiàn),果蠅DM1 受體蛋白僅表達于神經(jīng)系統(tǒng),肌肉系統(tǒng)內(nèi)不表達,而神經(jīng)系統(tǒng)中以觸角葉位置表達量最高,說明果蠅DM1 與嗅覺信息的神經(jīng)傳遞相關(guān)(Blake et al.,1993;Harrison et al.,1995)。Aizono 等 (1997)對家蠶Bombyx mori 腦部A 亞型受體和促前胸腺激素PTTH 共定位研究發(fā)現(xiàn),A 亞型受體在家蠶腦部神經(jīng)系統(tǒng)廣泛表達,而且其與PTTH 在兩簇背神經(jīng)分泌細胞及多處神經(jīng)纖維中呈現(xiàn)共表達模式,推測家蠶A 亞型可能調(diào)節(jié)PTTH 神經(jīng)分泌細胞中PTTH 激素的釋放。Clark 等(2005)利用商品化單克隆抗體m35 (Argene,Varilhes,F(xiàn)rance 10-217)對煙草天蛾Manduca sexta 觸角發(fā)育過程中M型受體的表達進行了組織學定位研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)M 型受體蛋白不僅限于神經(jīng)元表達,而且在神經(jīng)膠質(zhì)細胞和表皮細胞均有表達。發(fā)育了4-5 d 的成蟲該受體主要分布于觸角神經(jīng)的軸突位置,發(fā)育4-9 d,上皮細胞基部的感覺神經(jīng)元胞體具有較強的陽性反應(yīng),說明神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞間膽堿的通訊可能調(diào)節(jié)著軸突的延伸。而即將分化為表皮細胞的上皮細胞上存在膽堿能系統(tǒng)可能與表皮的形成相關(guān)。擬黑多刺蟻P.vicina mAchR mRNA 不僅表達于成蟲的腦部神經(jīng)系統(tǒng),而且在卵期及幼蟲整個發(fā)育階段均有表達,說明mAchR可能參與了昆蟲發(fā)育行為(呂淑敏等,2010)。對腦部的mAchR mRNA 原位雜交定位研究發(fā)現(xiàn),其在各個品級螞蟻腦部廣泛表達。除了蕈形體萼部和領(lǐng)部陽性反應(yīng)比較弱外,其他部位均有陽性神經(jīng)元胞體和神經(jīng)纖維存在,并呈現(xiàn)不同的表達模式,其中以腦部蕈形體、視葉和嗅葉的陽性反應(yīng)最強,推測M 型受體可能參與視覺和嗅覺信息的獲取與整合(Lü et al.,2011)。以上結(jié)果說明,M型受體A 亞型廣泛存在于昆蟲神經(jīng)系統(tǒng),不僅于神經(jīng)元表達,而且在神經(jīng)膠質(zhì)細胞和上皮細胞中均有表達,生理功能除了調(diào)節(jié)神經(jīng)生理活動,還參與神經(jīng)元軸突的延伸,表皮的形成及激素的釋放,昆蟲發(fā)育等,但其具體調(diào)節(jié)機制還需深入研究。RNAi 技術(shù)在昆蟲基因功能研究中已經(jīng)很成熟,今后結(jié)合RNAi 技術(shù)進一步開展昆蟲M 型受體功能研究將是一個重要的方向。

3 昆蟲M 型受體的藥理學分析及信號轉(zhuǎn)導途徑

圖1 昆蟲mAchR 分子進化樹(Mega 5.0)Fig.1 Phylogenetic tree of insects mAchR (Mega 5.0)

關(guān)于昆蟲M 型受體的藥理學分析主要從以下兩個方面展開,一是蟲體藥理學方法,即給蟲體注射M 型受體通路的激動劑或拮抗劑,觀察對蟲體的影響,進而分析功能。二是細胞藥理學方法,將M 型受體通過表達載體導入細胞,通過M 型受體的激動劑和拮抗劑檢測其胞內(nèi)的信號通路。目前僅有果蠅和T.castaneum A 亞型及B 亞型細胞藥理學研究報導。藥理學分析認為果蠅DM1 的藥理學特征與脊椎動物M1 和M3 相似(Blake et al.,1993;Millar et al.,1995;Aizono et al.,1997;Collin et al.,2013),將DM1 基因異源表達于不同的脊椎動物細胞及果蠅S2 細胞系,被激動劑激活后可以促進胞內(nèi)Ca2+和IP3 的積累 (Reaper et al.,1998;Cordova et al.,2003;Collin et al.,2013)。氨甲酰膽堿 (Carbamylcholine,CCh)和氧化震顫素oxotremorine 是果蠅DM1 的潛在激動劑,而適用于脊椎動物M1 受體的激動劑McN-A-343 反應(yīng)很弱。當S2-DM1 受體被CCh 激活后,胞內(nèi)Ca2+濃度上升(Cordova et al.,2003)。說明果蠅DM1 的信號轉(zhuǎn)導途徑與脊椎動物M 型受體Ⅰ類相似,通過磷脂酸肌醇系統(tǒng),最終使胞內(nèi)第二信使Ca2+濃度上升。而昆蟲B 亞型可被乙酰膽堿激活并使胞內(nèi)Ca2+濃度上升,但不被M 受體通用拮抗劑所拮抗(Collin et al.,2013)。有關(guān)B 亞型的藥理學研究還需進一步開展,通過計算機輔助藥物設(shè)計進行高通量篩選將是一個重要方向。

對蜜蜂蟲體藥理學研究發(fā)現(xiàn),給蜜蜂食用毛果蕓香堿和毒蕈堿將導致腦部神經(jīng)纖維網(wǎng)體積增大,其效果與已訓練一周具有覓食經(jīng)驗的工蜂類似,該效果可被一種毒蕈堿拮抗劑東莨菪鹼scopolamine 所抵消。結(jié)合行為訓練和組織學分析表明,M 型受體的激活與蜜蜂腦部的可塑性相關(guān),可以誘導神經(jīng)元細胞內(nèi)基因的表達從而影響經(jīng)驗依賴性的學習記憶行為(Ismail et al.,2006;Guez et al.,2010)。雄性蝗蟲腦部中央復合體內(nèi)小劑量注射毒蕈堿激動劑時,將導致其鳴聲更尖銳且持續(xù)時間更長,而伴隨這發(fā)聲的間隔縮短,而且毒蕈堿誘導的發(fā)聲可被腺苷酸環(huán)化酶的兩種抑制劑2-5-dideoxyadenonsine、SQ22536 和PKA 的兩種抑制劑U-73122、neomycin 所抑制。在注射毒蕈堿有效的腦部部位注射3-isobuty-1-methylxanthine、腺苷酸環(huán)化酶和PKA 的催化劑forskolin 時,同樣也能激起鳴聲 (Heinrich et al.,2001;Wenzel et al.,2002;Hoffmann et al.,2007;)。說明昆蟲M 型受體可以調(diào)節(jié)蝗蟲的鳴聲,而且AC/cAMP/PKA 和PLC/IP3/diacylglycerine 傳導通路是M 型受體興奮傳導所必需的,與果蠅DM1 受體信號轉(zhuǎn)導系統(tǒng)研究結(jié)果一致。

昆蟲膽堿能神經(jīng)傳遞是當前殺蟲劑的一個主要靶標,其機理是抑制乙酰膽堿酯酶或異常激活/抑制N 型受體起到殺蟲效果。學者們對果蠅和家蠅M 型受體的研究中發(fā)現(xiàn)存在一些激動劑或抑制劑可以中強度的殺滅昆蟲(Miller et al.,1991;Reaper et al.,1998),并提出毒蕈堿型乙酰膽堿受體是殺蟲劑的一個潛在靶標。Honda 等 (2007)等利用哺乳動物M 型受體信號通路的8種激動劑和11種拮抗劑對果蠅和家蠅進行藥理學篩選研究,發(fā)現(xiàn)有部分激動劑和拮抗劑可以明顯影響家蠅和果蠅的行為,并提出以M 型受體為靶標的殺蟲劑可以避免已有殺蟲劑所帶來的交叉抗藥性。但目前市場上還沒有商業(yè)化的以M 型受體為靶標的殺蟲劑,有關(guān)昆蟲M 型受體在殺蟲劑方面的應(yīng)用還有待于進一步研究。

4 小結(jié)與展望

M 型受體是昆蟲膽堿能受體研究中的一個薄弱環(huán)節(jié)。前人基于已克隆獲得的果蠅DM1 序列,主要展開以下兩個方面的研究:一是根據(jù)果蠅DM1 序列制備多克隆抗體,在多種昆蟲中進行組織定位即生理學功能方面的研究;二是根據(jù)脊椎動物M 型受體的激動劑和拮抗劑,進行藥理學特性方面的研究。這些研究證實昆蟲M 型受體與其體內(nèi)的N 型受體類似,在昆蟲體內(nèi)起著重要作用,調(diào)節(jié)昆蟲的多種行為活動;從藥理學角度驗證昆蟲體內(nèi)也存在多種亞型的M 受體,目前從分子方面已驗證昆蟲中存在A 亞型和B 亞型兩種受體,但B 亞型2013年剛發(fā)現(xiàn),對其研究甚少。昆蟲M 型受體的研究遠遠落后于N 型受體,主要體現(xiàn)在:(1)GenBank 中實驗驗證獲得M 型受體的基因數(shù)據(jù)缺乏;(2)M 型受體的分型情況尚未了解清楚;(3)生理功能研究認為M 型受體參與昆蟲多種行為活動,但其作用機理及信號轉(zhuǎn)導途徑還需進一步研究;(4)M 型受體作為殺蟲劑的一個潛在靶標,目前市場上還未有商品化的以此為靶標的農(nóng)藥存在。因此,加強對昆蟲M 型受體分子機制、信號轉(zhuǎn)導途徑及藥理學方面的研究,有助于全面深入地了解昆蟲膽堿的神經(jīng)傳遞機制,特別是無脊椎動物中獨有的B 亞型,對其功能研究將為發(fā)現(xiàn)新的殺蟲作用靶標,創(chuàng)制新的殺蟲劑提供新思路。

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