魏亞楠, 黨政武, 陳　立, 方宇凌, 孔祥波, 胡春祥, 趙莉藺

1 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱　150040　2 中國科學(xué)院動物研究所農(nóng)業(yè)蟲害鼠害綜合治理研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100101　3 商洛市林木病蟲防治檢疫站，商洛　726000　4 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與環(huán)保研究所國家林業(yè)局森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100091

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線蟲蛔甙(Ascarosides)信息素研究進(jìn)展

魏亞楠1,2, 黨政武3, 陳立2, 方宇凌2, 孔祥波4, 胡春祥1,*, 趙莉藺2

1 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱1500402 中國科學(xué)院動物研究所農(nóng)業(yè)蟲害鼠害綜合治理研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京1001013 商洛市林木病蟲防治檢疫站，商洛7260004 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與環(huán)保研究所國家林業(yè)局森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100091

摘要:大多數(shù)生物通過信息素系統(tǒng)來對環(huán)境進(jìn)行感應(yīng)和個(gè)體間交流，并指導(dǎo)其行為、發(fā)育和生理代謝。線蟲是在地球上生存策略最多樣的動物之一，但其信息素系統(tǒng)卻鮮為人知。近年來發(fā)現(xiàn)一組稱為蛔甙(ascarosides)的線蟲種內(nèi)化學(xué)信號物質(zhì)，在秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)的交配、聚集和滯育等行為及發(fā)育調(diào)控方面起著至關(guān)重要的作用。隨后發(fā)現(xiàn)蛔甙在線蟲界廣泛存在。對蛔甙進(jìn)行深入全面的了解有利于促進(jìn)線蟲化學(xué)生態(tài)學(xué)學(xué)科發(fā)展，并填補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)生態(tài)學(xué)中關(guān)于化學(xué)信息對生物發(fā)育調(diào)控的知識。因此，對近年來蛔甙的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，包括蛔甙結(jié)構(gòu)與鑒定、組成和功能、生物合成與代謝調(diào)控、化學(xué)感受信號途徑及信息調(diào)節(jié)模式，從而更好地理解化感信號對線蟲乃至高等生物的行為、發(fā)育、新陳代謝及衰老的調(diào)控機(jī)制，為研究生命科學(xué)中信息素調(diào)控理論提供新的參考。

關(guān)鍵詞：蛔甙；秀麗隱桿線蟲；寄生線蟲；信息素

線蟲是一類低等無脊椎動物，在自然界分布很廣[1]。一部分線蟲可以獨(dú)立生存，稱為自由生活線蟲；另一部分采用寄生策略，大部分以植物和動物為寄主，對特殊食物、傳播媒介和資源加以利用。因?yàn)檫@些線蟲通常生活在土壤或寄生物中，沒有適宜的視覺或聽覺系統(tǒng)，接收環(huán)境信號的重要途徑就是精細(xì)的化學(xué)感受系統(tǒng)[2- 5]。通過進(jìn)化，化學(xué)感受系統(tǒng)越來越精細(xì)，不僅能引起線蟲行為的改變，還能調(diào)控線蟲的發(fā)育途徑。在不良環(huán)境中，線蟲進(jìn)入擴(kuò)散周期，形成滯育蟲態(tài)，從而進(jìn)一步擴(kuò)散傳播到新的適宜環(huán)境[2, 4- 5]。

秀麗隱桿線蟲Caenorhabditiselegans一直是線蟲化感研究最主要的模式生物，但主要集中在基因調(diào)控水平[2- 5]，信息素鑒定和結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展緩慢。直到2005年，Jeong等[6]在秀麗隱桿線蟲中提取并鑒定出一類誘導(dǎo)滯育蟲態(tài)形成的新型化合物——蛔甙(ascarosides)。從此，蛔甙的相關(guān)研究取得了一系列突破性進(jìn)展。人們定義蛔甙為線蟲的特定信號分子，由脂肪酸等側(cè)鏈鏈接到雙脫氧蛔糖基(dideoxysugar ascarolyse)上組成。通過側(cè)鏈長度的改變以及衍生物的差異生成結(jié)構(gòu)多樣的蛔甙[7]，用以調(diào)節(jié)線蟲的聚集、交配、多爾(dauer)形成等行為。

最近發(fā)現(xiàn)，各種寄生線蟲中普遍存在蛔甙成分。眾所周知，各類寄生線蟲危害可造成重大農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失及全球性人類疾病。如果不同線蟲種類對不同蛔甙能夠特異性識別，那么蛔甙有望發(fā)展成為新型藥物特異干擾線蟲的繁殖和生存。深入研究蛔甙對線蟲行為和發(fā)育的調(diào)節(jié)，對于控制重大農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失及人類疾病具有舉足輕重的意義。因此，本文對近年來線蟲蛔甙信息素研究的突破性進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

1秀麗隱桿線蟲蛔甙結(jié)構(gòu)鑒定與功能

圖1　蛔甙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Overall structure of ascarosides蛔糖(ascarylose sugar)編號的位置顯示已知的修飾官能團(tuán)

線蟲對蛔甙這種小分子信號的利用，讓人聯(lián)想到細(xì)菌群體感應(yīng)系統(tǒng)通過檢測復(fù)雜的環(huán)境條件來調(diào)節(jié)自身的行為和發(fā)展?；走靶畔⑺刂鹘Y(jié)構(gòu)均由蛔糖基連接一個(gè)脂肪酸側(cè)鏈形成，因側(cè)鏈的長度和衍生物的不同而形成結(jié)構(gòu)和功能的多樣性?；走暗目傮w結(jié)構(gòu)見圖1。根據(jù)發(fā)現(xiàn)的先后順序，依次命名為ascr#1, 2, 3，…，n。不同的蛔甙或蛔甙組合調(diào)節(jié)不同的表型特征，在化學(xué)結(jié)構(gòu)上即使很小的差異都可能極大地改變線蟲的生理活動[8]。蛔甙的活性和特異性依賴于化學(xué)結(jié)構(gòu)和濃度。因此蛔甙信號特異性可以通過定性、定量來表達(dá)。

Choe[9]總結(jié)秀麗隱桿線蟲包含三類蛔甙結(jié)構(gòu)：一種是結(jié)構(gòu)簡單的蛔甙，簡寫為ascr，一種是吲哚蛔甙(indole ascarosides)，簡寫為icas，另外一種是ω-1氧化ascr常伴隨的ω氧化異構(gòu)體，簡寫為oscr(化學(xué)結(jié)構(gòu)見表4)。

1.1誘導(dǎo)秀麗隱桿線蟲多爾幼蟲形成的信息素結(jié)構(gòu)及其鑒定

線蟲信息素蛔甙是在多爾幼蟲形成研究中被發(fā)現(xiàn)的。多爾是秀麗隱桿線蟲幼蟲在生長發(fā)育過程中出現(xiàn)的滯育蟲態(tài)，此蟲態(tài)的形成與多爾信息素誘導(dǎo)密切相關(guān)。

不論自然界中的環(huán)境好壞，秀麗隱桿線蟲都能適應(yīng)并生存。在環(huán)境適宜的條件下，秀麗隱桿線蟲僅需3—5 d就能由受精卵經(jīng)過L1—L4四齡幼蟲階段發(fā)育為成蟲，并產(chǎn)生約300個(gè)后代。在L1或L2初期，當(dāng)遇到食物缺乏、種群密度增加、溫度升高等惡劣環(huán)境時(shí)，秀麗隱桿線蟲將進(jìn)入滯育，形成持久型L3幼蟲，稱為多爾幼蟲[10]。線蟲進(jìn)入滯育階段會停止取食和發(fā)育[11]。滯育階段能維持?jǐn)?shù)月，當(dāng)環(huán)境適宜時(shí)(如食物充足、低濃度信息素)，線蟲恢復(fù)發(fā)育，蛻皮成繁殖型L4幼蟲，進(jìn)入繁殖周期[11- 12]。

早在20世紀(jì)80年代，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)秀麗隱桿線蟲的多爾形成是受化學(xué)信息素調(diào)控的，認(rèn)為此類信息素是親水性的雙脫氧蛔糖基衍生物，但一直難以明確其結(jié)構(gòu)組成[13- 14]。直到2005年，Jeong等突破了提取和鑒定方法，在300 L大型發(fā)酵罐中進(jìn)行了秀麗隱桿線蟲的大規(guī)模液體培養(yǎng)，并用乙酸乙酯提取液體培養(yǎng)液進(jìn)行多爾信息素的活性物質(zhì)分離純化。然后進(jìn)行色譜分離，結(jié)合生物活性測試獲得具有顯著誘導(dǎo)效果餾分后，用標(biāo)準(zhǔn)核磁共振NMR(nuclear magnetic resonance)和質(zhì)譜技術(shù)鑒定出一類新型物質(zhì)——ascr#1(即daumone)[6]。Butcher等[15]用類似的方法通過多爾恢復(fù)試驗(yàn)純化鑒定了ascr#2，并用核磁共振譜分析找到另一個(gè)蛔甙，即ascr#3。Ascr#1及ascr#3的熒光探針顯示，在多爾形成過程中集中在咽(pharynx)表皮，ascr#3探針甚至能移動到化感器神經(jīng)元(amphid neurons)[16]。

隨后，Gallo和Riddle[17]比較了ascr#1合成物[6]和秀麗隱桿線蟲提取物[18]的生理特性，發(fā)現(xiàn)ascr#1并不是形成多爾信息素的主要成分，而且Jeong已報(bào)道的濃度[6]對秀麗隱桿線蟲有毒，接觸后會降低其壽命[17]。

雖然業(yè)界對Jeong的研究有所質(zhì)疑，但它依然為蛔甙的后續(xù)研究開辟了一個(gè)新的天然產(chǎn)物研究方向，大規(guī)模的蛔甙分離鑒定工作展開，甚至發(fā)現(xiàn)了蛔甙衍生物，如icas#9[19]。這些蛔甙在不同的發(fā)展階段產(chǎn)生，并在各種惡劣條件誘導(dǎo)下增加[20]。多個(gè)蛔甙(ascr#1-3,5,8,icas#9)(表1)協(xié)同作用形成一個(gè)誘導(dǎo)型的混合物。其中，一種側(cè)鏈為3-羥丙酸(3-hydroxypropionatea)的蛔甙是多爾信息素中一個(gè)非常重要的成分[21]，ascr#2和ascr#3比最初確定的ascr#1功能更強(qiáng)[15, 20- 21]。誘導(dǎo)多爾幼蟲形成的蛔甙結(jié)構(gòu)見表1。

1.2秀麗隱桿線蟲性信息素的結(jié)構(gòu)與鑒定

最近的研究發(fā)現(xiàn)，低濃度蛔甙能夠誘導(dǎo)秀麗隱桿線蟲的交配行為?？茖W(xué)家們通過多種手段，如核磁共振光譜分析(NMR spectroscopic analyses)方法及二維核磁共振光譜DANS(differential analysis of 2D NMR spectra)鑒定方法得到能夠誘導(dǎo)交配活性的蛔甙結(jié)構(gòu)，包括ascr#4[22], ascr#6.1, 6.2, 8[23]。

表1　誘導(dǎo)多爾幼蟲形成的蛔甙結(jié)構(gòu)

當(dāng)Jeong等人都使用標(biāo)準(zhǔn)液體細(xì)菌和線蟲的混合培養(yǎng)液作為原材料時(shí)，Srinivasan等則將特定發(fā)育階段的線蟲轉(zhuǎn)移到水中來專門收集線蟲的化合物，以防止細(xì)菌污染[22]。這種策略可達(dá)到3個(gè)重要優(yōu)勢目標(biāo)：首先，它大大簡化了雄蟲的趨化生物測定，因?yàn)榫€蟲也會被很多細(xì)菌小分子所吸引而增加生測難度；其次，它簡化了原材料的化學(xué)成分鑒定；最后，明確了蟲態(tài)特異性。因?yàn)樾巯x活動只出現(xiàn)在L4齡幼蟲、年輕成蟲以及成蟲3個(gè)階段[22]，因此蟲態(tài)特異性對性信息素的鑒定尤為重要，這種策略集合了每個(gè)發(fā)育階段所產(chǎn)生的特定物質(zhì)組成，而不是同步培養(yǎng)時(shí)隨著時(shí)間推移從而積累所有的化合物。

吸引雄性的信息素是由一個(gè)以上的化合物組成的，單個(gè)的色譜成分不能充分引起特異雄性的反應(yīng)，但重組成分卻能使其恢復(fù)活力[22]。其中一個(gè)主要成分是被葡萄糖修飾的ascr#2衍生物，這個(gè)化合物稱作ascr#4。Ascr#2、ascr#3和ascr#4表現(xiàn)為協(xié)同作用，在pmol/L濃度下活性強(qiáng)，特別吸引雄性。

從此，鑒定蛔甙的手段越來越先進(jìn)，以Paul W. Sternberg[23]為首的實(shí)驗(yàn)室采用二維核磁共振光譜DANS鑒定方法得到另一些蛔甙結(jié)構(gòu)，包括能夠誘導(dǎo)交配活性的ascr#6.1、ascr#6.2，以及功能未知的ascr#7(結(jié)構(gòu)見表4)。他們通過這種方法實(shí)現(xiàn)了蛔甙的核磁共振痕量檢測，并且通過DANS差異分析，簡化了連接的小分子代謝物鑒定和它們的生物學(xué)功能研究[23]。

秀麗隱桿線蟲雄蟲也會產(chǎn)生蛔甙，以飽和ascr#10為主，而雌雄同體線蟲產(chǎn)生的蛔甙為α, β-不飽和蛔糖苷，ascr#3。雖然兩者的化學(xué)結(jié)構(gòu)只有微小差別，但生理活性有很大不同：雌雄同體線蟲產(chǎn)生的ascr#3能夠排斥其他雌雄同體個(gè)體、吸引雄蟲，而雄蟲產(chǎn)生的ascr#10能夠強(qiáng)烈吸引雌雄同體線蟲[25]。同時(shí)，Srinvisan等[22]的研究表明，很多蛔甙的混合物，特別是ascr#3和ascr#8，能夠在超低濃度下吸引強(qiáng)壯的雄性個(gè)體。在較高濃度下，相同的混合物對雄性喪失吸引力，取而代之的是對雌雄同體的排斥?；走靶孕畔⑺氐慕Y(jié)構(gòu)見表2。

表2　蛔甙性信息素結(jié)構(gòu)

1.3秀麗隱桿線蟲聚集信息素的結(jié)構(gòu)與鑒定

蛔甙還能夠誘導(dǎo)秀麗隱桿線蟲的聚集行為。這類蛔甙含有色氨酸吲哚衍生物(tryptophan-derived indolemoeities-indole ascarosides)，其中一個(gè)命名為indolecarboxyl-ascaroside C5，即icas#9[19]。秀麗隱桿線蟲的雌雄同體能夠被濃度為fmol/L到pmol/L的icas#3(表3)和icas#9強(qiáng)烈吸引，造成聚集現(xiàn)象[26]。

表3　蛔甙聚集信息素結(jié)構(gòu)

1.4蛔甙其他信息素的結(jié)構(gòu)與鑒定

蛔甙還能調(diào)節(jié)其它行為和趨化反應(yīng)。如最近的幾項(xiàng)研究[22, 26- 28]都提到了調(diào)控不同行為的蛔甙信號，包括特異性別吸引、排斥、聚合以及嗅覺可塑性?；走俺酥苯佑绊懢€蟲的行為之外，還能引起對其他異嗅物質(zhì)的趨化反應(yīng)，如野生型線蟲對苯甲醛氣味的反應(yīng)依賴于種群密度[27]。值得注意的是，誘導(dǎo)這種行為產(chǎn)生的部分蛔甙與調(diào)節(jié)多爾形成的蛔甙是相同的，誘導(dǎo)多爾形成需要的濃度為nmol/L—μmol/L級別，而行為反應(yīng)的濃度可能只需要fmol/L—pmol/L。目前，除了上述一些短鏈蛔甙功能被明確，表4列出的長鏈蛔甙功能還未知，尚有很大的研究潛力和空間。

總之，線蟲蛔甙方面的最新發(fā)現(xiàn)，為研究信息素交流及其演變提供了前所未有的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。在功能上，蛔甙信息素主要分為多爾幼蟲信息素、性信息素、聚集信息素等三類?；走案鶕?jù)結(jié)構(gòu)的不同功能也有所不同。結(jié)構(gòu)相同的信息素在功能上又有重疊，例如ascr#1, #2, #3, #5, #8既是多爾誘導(dǎo)信息素也是雄性誘導(dǎo)信息素，而icas#9既是多爾誘導(dǎo)信息素又是聚集信息素。秀麗隱桿線蟲的其他一些蛔甙信息素(見本文1.4)功能還有待進(jìn)一步深入探索。

表4　蛔甙其他信息素結(jié)構(gòu)

2寄生線蟲蛔甙結(jié)構(gòu)鑒定與功能

屬于線蟲門的蛔蟲屬(Ascaris)也存在蛔甙，包括馬蛔蟲Parascarisequorum[29]、人體蛔蟲Ascarislumbricoides、豬蛔蟲Ascarissuum[30- 32]。主要存在于蛔蟲屬卵中，抵抗由質(zhì)變而導(dǎo)致的生理退化，使蛔蟲卵在潮濕的土壤中存活數(shù)年[33]?；紫x卵具有3層結(jié)構(gòu)，外層是蛋白質(zhì)、中間是甲殼素，蛔甙包被在內(nèi)部。存在于最內(nèi)層的是蛔甙長鏈混和物，具有非滲透性(結(jié)構(gòu)見圖2)[34]。

圖2　豬蛔蟲Ascaris suum卵中的6種長鏈蛔甙的結(jié)構(gòu)[32]Fig.2　Ascaroside structures. Six long-chain ascarosides from the eggs of the parasitic nematode Ascaris suum[32]箭頭和直線表示5和6為對稱結(jié)構(gòu)，均含有兩個(gè)蛔糖[32]

蛔甙既存在于蛔蟲屬，也存在于秀麗隱桿線蟲，二者雖然都屬于線蟲門，但蛔蟲目Ascaridida和小桿目Rhabditida在形態(tài)學(xué)、生理學(xué)特征上有顯著區(qū)別[32]，導(dǎo)致多數(shù)人認(rèn)為寄生線蟲的長鏈蛔甙與秀麗隱桿線蟲的蛔甙信息素組成是不同的。直到2009年才研究發(fā)現(xiàn)兩者是非常相似的[8- 9]，其功能上也承擔(dān)了信息傳遞、幼蟲滯育的功能。

蛔甙結(jié)構(gòu)決定其在蛔蟲屬卵發(fā)育的特定功能。圖2為豬蛔蟲Ascarissuum卵中的6種長鏈蛔甙結(jié)構(gòu)，類似的長鏈結(jié)構(gòu)在秀麗隱桿線蟲N2(野生型)和daf-22中有報(bào)道[23]?；紫x和秀麗隱桿線蟲的蛔甙在功能上有異同之處：秀麗隱桿線蟲從卵中孵化的階段作為L1幼蟲，而豬蛔蟲在卵中要經(jīng)歷兩次蛻皮。當(dāng)蛔蟲的卵被攜帶進(jìn)入新的寄主時(shí)，孵化得到L3齡幼蟲，類似于秀麗隱桿線蟲的多爾幼蟲階段[35]。卵中的蛔甙與幼蟲有直接關(guān)系，與秀麗隱桿線蟲的蛔甙在多爾形成(或至少在多爾維持)上扮演著相同角色[36]。因此，調(diào)查研究動物寄生線蟲的蛔甙功能將為控制線蟲的侵染提供新見解。

蛔甙結(jié)構(gòu)特征在不同線蟲種類進(jìn)化中出現(xiàn)差異。Choe等[9]通過對比自由生活線蟲、動物、昆蟲和植物寄生性線蟲等在進(jìn)化關(guān)系上較遠(yuǎn)的19種線蟲的蛔甙結(jié)構(gòu)特征[37](表5)，發(fā)現(xiàn)不同線蟲種類演變?yōu)檎紦?jù)不同生態(tài)位的種群，盡管都顯示出利用蛔甙作為信號分子的保守性，但在蛔甙種類和組成上有很大差異。甚至4種因自然隔離而導(dǎo)致基因差異的秀麗隱桿線蟲產(chǎn)生的蛔甙也是不同的。當(dāng)然，這些種內(nèi)差異與種間差異相比是非常小的。

表5　不同種線蟲產(chǎn)生的蛔甙

A: 成蟲，IJ: 感染性幼蟲，D: 多爾幼蟲，♂: 雄蟲，♀: 雌蟲，0: 雌雄同體；部分種對應(yīng)中文種名未知

19種線蟲樣本中都含有蛔甙，且由兩個(gè)或兩個(gè)以上化合物組成[9]。除了小桿科Rhabditidae的幾個(gè)未知種：Caenorhabditissp.7和Rhabditissp.(突變種)產(chǎn)生的蛔甙在碳末端上連接著蛔糖(即“ω”位置，如oscr#9和oscr#10)[7]，大多數(shù)線蟲產(chǎn)生的蛔甙都在倒數(shù)第2個(gè)碳上連接著蛔糖(即“ω-1”位置)。同樣地，作為秀麗隱桿線蟲聚集信號的吲哚蛔甙——icas#9[26]，也只在小桿科的幾個(gè)種：Caenorhabditisspp.(多個(gè)未知種)和Oscheiuscarolinensis中出現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)表示，在碳末端上連接蛔糖的蛔甙或是蛔甙的吲哚羰基衍生物可能代表著第9分支(其中包括小桿科家族的成員)衍生的一個(gè)新的里程碑[37]。他們還發(fā)現(xiàn)第9分支的線蟲(木耳線蟲屬未知種Peloderasp.，小桿線蟲屬未知種Oscheius.sp和異小桿線蟲屬未知種Heterorhabditisp.)能大量產(chǎn)生含有12—15個(gè)碳原子的長鏈蛔甙，而第10分支的線蟲(昆蟲病原斯氏線蟲屬未知種Steinernemaspp.和Panagrellussp.)不產(chǎn)生這些蛔甙。值得注意的是，小桿線蟲屬Oscheius和斯式線蟲科(Steinernematidae)、異小桿線蟲科(Heterorhabditidae)的成員包含了所有已知的昆蟲寄生線蟲[38]，它們進(jìn)化為不同分支是由蛔甙的側(cè)鏈長度決定的，而不是生活方式。具有蛔甙相同結(jié)構(gòu)特征的種有著相似的生態(tài)位[9]。因此推斷，蛔甙生物合成的模式似乎與親緣關(guān)系以及生活方式或生態(tài)位在某種程度上是相關(guān)的。

綜上所述，通過蛔甙在蛔蟲屬等寄生性線蟲中的不同結(jié)構(gòu)研究，發(fā)現(xiàn)不同物種通過特異蛔甙信號進(jìn)行識別，進(jìn)而干擾蛔蟲屬、寄生性線蟲的繁殖和生存，但是目前對于不同寄生線蟲種類的滯育誘導(dǎo)信息素、性信息素、聚集信息素功能的特異性蛔甙組分尚待進(jìn)行深入研究。

3蛔甙生物合成與代謝調(diào)控

從結(jié)構(gòu)研究表明蛔甙信息素組分不同，但功能相似?；走霸谏锖铣珊痛x通路中所處的位點(diǎn)、生理生化功能不同?；走吧锖铣杉按x包括對糖類和脂肪酸兩方面的調(diào)控。在生物合成方面已明確了在脂肪鏈合成過程中的兩個(gè)蛋白參與其代謝過程，其他方面的功能有待進(jìn)一步研究確定。

3.1蛔甙生物合成

蛔甙的合成主要是通過編碼蛋白的兩種基因daf-22(thiolase)和dhs-28(dehydrogenase)發(fā)現(xiàn)的。Daf-22編碼一種人體固醇載體蛋白(human sterol carrier protein)的同系物SCPx(sterol carrier protein X)[15]。這種酶能催化過氧化物酶反應(yīng)中脂肪酸β-氧化(β-oxidation)反應(yīng)的最后一步[19]。Dhs-28基因編碼人類雙功能蛋白(human D-bifunctional protein)的一個(gè)同族蛋白質(zhì)，這種蛋白質(zhì)只能合成SCPx的上游部分。該蛋白在腸道中表達(dá)，而腸道是秀麗隱桿線蟲中蛔甙的合成位點(diǎn)[19]。這個(gè)途徑使得短鏈、中鏈、長鏈的脂肪酸降解為乙酰輔酶A(acetyl-CoA)和膽汁酸中間體(bile acid intermediates)。將daf-22和dhs-28線蟲在液體培養(yǎng)基下培養(yǎng)10d、20d，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)了10d的兩種突變體多爾形成都不活躍，而培養(yǎng)20d的突變體在多爾形成中十分活躍[15]。培養(yǎng)20d的dhs-28線蟲中發(fā)現(xiàn)了一些長鏈蛔甙，其中最長的含有15個(gè)碳，表明這些蛔甙就是信息素生物合成的中間體?；走吧锖铣傻脑S多步驟仍有待闡明，包括長鏈蛔甙的初始形成階段以及特定官能團(tuán)如ascr # 8中的芳酰胺(aromatic a-mide)[23]以及ascr # 9中的吲哚(indole)官能團(tuán)[24]的細(xì)節(jié)性描述?；走吧铣赏啡绾问蛊渖飳W(xué)功能得以實(shí)現(xiàn)也有待進(jìn)一步研究。

3.2蛔甙代謝調(diào)控

通過生化代謝過程，形成蛔甙的前體分子，為蛔甙的生物合成提供原料。秀麗隱桿線蟲繁殖周期線蟲靠取食細(xì)菌來攝取能量和生物合成的前體分子[39]。糖類和一些核酸、氨基酸首先通過糖酵解途徑代謝產(chǎn)生乙酰輔酶A；而脂類物質(zhì)則通過β-氧化代謝產(chǎn)生乙酰輔酶A。乙酰輔酶A再通過三羧酸循環(huán)TCA(tricarboxylic acid)和氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)產(chǎn)生ATP(adenosine triphosphate)[39- 40]。在秀麗隱桿線蟲繁殖型線蟲中，糖酵解、β-氧化、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化這四種代謝途徑都處于活躍狀態(tài)。而在多爾幼蟲階段，由于線蟲不再進(jìn)食，必須依靠身體內(nèi)部儲存的物質(zhì)為機(jī)體提供能量和生物合成前體。在多爾形成過程中，最主要的能量物質(zhì)是那些在皮下和腸道部位積累的脂肪。這些脂肪主要以三酰甘油(triacylglycerides)的形式存在，由3個(gè)長鏈脂肪酸分子以?；姆绞竭B接到甘油的三個(gè)羥基上。不同于繁殖型線蟲，多爾必須依靠脂肪來提供能量和生物合成前體，這就需要脂肪酸通過β-氧化產(chǎn)生乙酰輔酶A進(jìn)入后續(xù)TCA循環(huán)和氧化磷酸化產(chǎn)生ATP；同時(shí)通過β-氧化、乙醛酸循環(huán)(glyoxylate cycle)和糖異生(gluconeogenesis)途徑來產(chǎn)生供蛔甙生物合成用的前體分子[39- 40](圖3)。

圖3　C. elegans 多爾主要代謝途徑[41]Fig.3　Main metabolic pathways in C. elegans[41]

4蛔甙化學(xué)感受信號途徑

蛔甙信號傳導(dǎo)途徑解釋了其信息素功能的實(shí)現(xiàn)方式。線蟲通過對外界化學(xué)信號的接收、傳遞，進(jìn)而改變自身的行為和發(fā)育，并且通常利用化學(xué)感受和溫度感受來控制擴(kuò)散周期的形成。目前最重要的任務(wù)就是闡明線蟲的感覺系統(tǒng)是如何感知并集成復(fù)雜的蛔甙的組合，進(jìn)而引起特定發(fā)育和行為變化的。

性信息及聚集信息行為的實(shí)現(xiàn)是通過神經(jīng)傳遞通路實(shí)現(xiàn)的。秀麗隱桿線蟲神經(jīng)系統(tǒng)能夠傳導(dǎo)及感應(yīng)蛔甙信息素來指導(dǎo)其交配和聚集行為[22, 26- 28]。其中，化學(xué)感受神經(jīng)元用來識別種內(nèi)信息物質(zhì)。翅狀神經(jīng)元ADF(actin depolymerizing factor)和ASI(acid-sensing ion)控制線蟲侵染蟲態(tài)形成并進(jìn)入擴(kuò)散周期。成對的感覺神經(jīng)元控制從擴(kuò)散周期恢復(fù)發(fā)育狀態(tài)，轉(zhuǎn)入繁殖周期[42]。這些神經(jīng)元主要存在于頭感器、尾感器以及內(nèi)/外唇和中食道球與后食道球之間[43]。這些神經(jīng)元都有樹突狀結(jié)構(gòu)，一直延伸到頭部開口處。

多爾滯育現(xiàn)象也是通過神經(jīng)傳遞系統(tǒng)信號傳遞實(shí)現(xiàn)的。De Bono等[44]發(fā)現(xiàn)了npr-1(neuropeptide receptor)的無效突變(null mutation)在蛔甙化感中的功能。Npr-1基因作用的初始位點(diǎn)是RMG(relative maturity group)中間神經(jīng)元(interneuron)[28]。RMG形成的缺口處連接著負(fù)責(zé)ascr#3特異性雄性吸引的ASK(amphid single-ciliated sensory neuron type K)感覺神經(jīng)元[22]。ASK神經(jīng)元中鈣含量減少，而后形成ascr#2, ascr#3和ascr#5三者的混合物，同時(shí)ASK產(chǎn)生蛔甙的信號能夠傳遞到其他細(xì)胞[28]。RMG的高活性能促進(jìn)群體聚集行為，還能增強(qiáng)ASK對蛔甙的反應(yīng)，而NPR-1的高活性能降低這種反應(yīng)[28]。因此在特化蟲株中，蛔甙通過調(diào)控聚集行為來增強(qiáng)之前建立的多爾滯育和交配功能[36]。

蛔甙的化學(xué)感受生理生化過程包括以下兩個(gè)步驟[42]：①化學(xué)信號分子與化感器分泌蛋白相接觸并結(jié)合[3]，這些分泌蛋白的特殊性質(zhì)能夠增強(qiáng)線蟲嗅覺感受效果；②通過特殊轉(zhuǎn)換途徑，外界化學(xué)分子信息轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號，被線蟲化感器神經(jīng)元識別：神經(jīng)元和化學(xué)信息分子之間相互作用，刺激GTP(guanosine triphosphate)聯(lián)接的蛋白(G蛋白)活性，通過G蛋白信號途徑轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號[4, 45- 46]。G蛋白偶聯(lián)受體家族中一些特異化感受體基因用來響應(yīng)蛔甙[47- 48]。Zwaal等明確了兩個(gè)G蛋白的α亞基，GPA-2和GPA-3參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)[49]。McGrath等[48]分析并演示了在多爾形成過程中，G蛋白偶聯(lián)化感受體作為蛔甙受體被基因srg(serpentinereceptorclassg)編碼，而且在實(shí)驗(yàn)室有利條件下終止多爾形成。

蛔甙在信號傳遞過程中受相關(guān)基因的調(diào)控，當(dāng)線蟲遇到化學(xué)信號刺激時(shí)，G蛋白偶聯(lián)化感受體與配體化學(xué)分子結(jié)合，啟動鳥苷酸環(huán)化酶途徑，導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)cGMP(cyclic guanosine monophosphate)濃度升高，激活cGMP-門控離子通道(cGMP-gated ion channel)，進(jìn)而使細(xì)胞去極化產(chǎn)生鈉離子和鈣離子內(nèi)流。經(jīng)過一系列細(xì)胞核轉(zhuǎn)錄事件，產(chǎn)生Insulin-like和TGF-β(transforming growth factor-beta)通路的信號分子。這些信號分子在內(nèi)分泌細(xì)胞表面與各自受體結(jié)合，分別啟動相應(yīng)通路信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。最終兩條信號通路共同調(diào)控一種細(xì)胞色素P450(cytochrome P450)基因daf-9的表達(dá)；此基因負(fù)責(zé)核受體DAF-12(the nuclear hormone receptor)的配體DA(dafachronic acid)生物合成的最后一步。DA與靶組織DAF-12結(jié)合后，促進(jìn)繁殖發(fā)育，抑制dauer形成；相反，當(dāng)DA含量下降時(shí)，空載核受體DAF-12則促進(jìn)多爾形成，抑制繁殖發(fā)育[50]。Insulin/IGF-1(insulin-like growth factor I)和TGF-β信號通路在動物寄生性線蟲中有少量研究，結(jié)果表明，Insulin信號通路在寄生性線蟲中作用是保守的，而TGF-β信號通路可能起不同于秀麗隱桿線蟲的作用[51]。

可形成蛔甙受體的輔基庫有待深入研究?？膳c蛔甙匹配的受體庫應(yīng)考慮到單個(gè)神經(jīng)元表達(dá)多種化學(xué)感受器，從線蟲的化學(xué)感受基因種類、功能等方面進(jìn)行挖掘[52]。

5蛔甙信息調(diào)節(jié)模式

蛔甙的信號傳導(dǎo)原理有了一定的研究，但信息調(diào)節(jié)過程除了內(nèi)部基因、生理調(diào)控、生化代謝等影響，也受環(huán)境因子的限制。環(huán)境對秀麗隱桿線蟲的蛔甙的表達(dá)、蛔甙釋放機(jī)制(例如組成型分泌、調(diào)節(jié)分泌、排便、以及其他可能的機(jī)制)、蛔甙家族信號分子的協(xié)同機(jī)制并未獲知。研究僅發(fā)現(xiàn)協(xié)同作用的10個(gè)或更多蛔甙分泌自幾個(gè)少數(shù)的細(xì)胞，當(dāng)達(dá)到一定濃度才能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，對于揭密蛔甙的上述多重影響任重道遠(yuǎn)，明確蛔甙信息調(diào)節(jié)仍要深入研究。

圖4　C.elegans 蛔甙信息素運(yùn)行的一般模式Fig.4　General model for C. elegans ascaroside pheromone function

現(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)雌、雄蟲蛔甙信息素水平有差異。Edison[36]認(rèn)為蛔甙信息素能夠增加雄蟲出現(xiàn)的頻率，而且效果會隨著本地整體信息素水平的升高而升高。圖4闡明了秀麗隱桿線蟲生態(tài)循環(huán)中雌雄蟲受蛔甙影響的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。雌雄同體發(fā)展到即將交配階段時(shí)會釋放少量不同的蛔甙，在相對統(tǒng)一的多爾信息素水平下，為雄蟲尋找多產(chǎn)的雌雄同體提供了方向性[36]。同時(shí)，蛔甙通過組成型表達(dá)來監(jiān)測種群密度，也能根據(jù)環(huán)境或發(fā)育因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。這為環(huán)境條件惡化時(shí)秀麗隱桿線蟲的雌雄同體與雄性的異型雜交提供了一種機(jī)制。當(dāng)信息素增加，食物減少時(shí)，產(chǎn)生的異型雜交后代將成為多爾幼蟲。該多爾狀態(tài)會導(dǎo)致雄蟲的增加[53]，且允許這些后代存活數(shù)月，并傳播到一個(gè)食物充足的新微環(huán)境中，從而完成循環(huán)。圖4說明雌雄同體個(gè)體最初傳播到新的食物環(huán)境時(shí)，與雄性的異交顯著[53]。這使后代的數(shù)量可以從300增加到1000，大大增加了秀麗隱桿線蟲存活機(jī)率。

從圓圈底部楔形開始，代表高食物含量和低量信息素的微環(huán)境，沿順時(shí)針方向表示食物水平依次降低，信息素水平依次增加。圓形表面的圖案表示食物，顏色深淺表示信息素[36]

6線蟲蛔甙對其他物種行為的影響

寄生線蟲真菌中有一種稱為捕食線蟲真菌(nematode-trapping fungi)，是一種生活在土壤中的線蟲專性寄生天敵[54]。捕食線蟲真菌在進(jìn)化中形成了專用于寄生的捕食器。2012年發(fā)現(xiàn)，線蟲分泌在土壤中的蛔甙誘導(dǎo)捕食真菌產(chǎn)生捕食器[55]。此現(xiàn)象是以微生物天敵基于線蟲信息傳遞信號使寄生與被寄生產(chǎn)生協(xié)同進(jìn)化的一個(gè)例證，證明了三營養(yǎng)級水平的信息物質(zhì)也參與進(jìn)化進(jìn)程。

7討論

近年來蛔甙的結(jié)構(gòu)與鑒定、組成和功能、生物合成與代謝調(diào)控、化學(xué)感受信號途徑以及信息調(diào)節(jié)模式都有了深入快速的研究，為線蟲化學(xué)生態(tài)學(xué)的學(xué)科發(fā)展提供了借鑒。今后需要繼續(xù)鑒定和深入研究蛔甙對寄生線蟲的滯育發(fā)育誘導(dǎo)機(jī)制。同時(shí)，在分子生物學(xué)方面，可以繼續(xù)深入完善蛔甙的化感通路，包括新的化感受體、化感器、神經(jīng)元及其功能等。而蛔甙在線蟲及其與捕食真菌協(xié)同進(jìn)化中的作用更顯示出蛔甙在多物種互作和進(jìn)化方面研究的巨大潛力。

在應(yīng)用方面，蛔甙是寄生線蟲種群發(fā)展的重要調(diào)節(jié)器，了解寄生線蟲的化學(xué)信號能夠幫助人們挖掘控制這些物種的工具。識別蛔甙的物種特異性可能使該信息素能夠干擾并控制寄生線蟲的繁殖和生存，對于研發(fā)控制動植物寄生線蟲危害和傳播新型藥劑提供了新思路。有研究表明，昆蟲寄生線蟲嗜菌異小桿線蟲利用小分子信息素來控制感染勢態(tài)的發(fā)展。該信息素與秀麗隱桿線蟲的多爾幼蟲信息素蛔甙在結(jié)構(gòu)上類似，但存在種間高度特異性[56]?；走皩ハx寄生線蟲滯育態(tài)的維持功能有利于提高昆蟲寄生線蟲在農(nóng)業(yè)害蟲防控中的應(yīng)用，即解決昆蟲寄生線蟲的長途運(yùn)輸和季節(jié)性進(jìn)入繁殖周期的問題。例如將蛔甙維持昆蟲寄生線蟲的多爾狀態(tài)進(jìn)行長途運(yùn)輸和長期保存，在需要發(fā)揮作用的時(shí)候進(jìn)行釋放，并使其進(jìn)入繁殖周期。而植物寄生線蟲多爾形成和雌雄交配行為對于它們的種群密度和擴(kuò)散傳播等危害程度影響也很大[55]，急需綠色、安全的信息素防控技術(shù)，對蛔甙在其中起的關(guān)鍵調(diào)控作用進(jìn)行研究將給予新型技術(shù)研發(fā)的希望。因此，圍繞蛔甙進(jìn)行寄生線蟲種群調(diào)控的意義很大。

參考文獻(xiàn)(References):

[1]Poinar G O Jr. The natural History of Nematodes. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, 1983.

[2]Huettel R N. Chemical communicators in nematodes. Journal of Nematology, 1986, 18: 3- 8.

[3]Perry R N. Chemoreception in plant parasitic nematodes. Annual Review of Phytopathology, 1996, 34(1): 181- 199.

[4]O′halloran D M, Burnell A M. An investigation of chemotaxis in the insect parasitic nematode Heterorhabditis bacteriophora. Parasitology, 2003, 127(4): 375- 385.

[5]Bargmann C I. Chemosensation inC.elegans// TheC.elegansResearch Community. WormBook, 2006: 1- 29.

[6]Jeong P Y, Jung M, Yim Y H, Kim H, Park M, Hong E, Lee W, Kim Y H, Kim K, Paik Y K. Chemical structure and biological activity of theCaenorhabditiselegansdauer-inducing pheromone. Nature, 2005, 433(7025): 541- 545.

[7]von Reuss S H, Bose N, Srinivasan J, Yim J J, Judkins J C, Sternberg P W, Schroeder F C. Comparative Metabolomics Reveals Biogenesis of Ascarosides, a Modular Library of Small-Molecule Signals inC.elegans. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(3): 1817- 1824.

[8]Ludewig A H, Schroeder F C. Ascaroside signaling inC.elegans. WormBook: the online review ofC.elegansbiology, 2013: 1.

[9]Choe A, von Reuss S H, Kogan D, Gasser R B, Platzer E G, Schroeder F C, Sternberg P W. Ascaroside signaling is widely conserved among nematodes. Current Biology, 2012, 22(9): 772- 780.

[10]Hu P J. Dauer. WormBook, 2007: 1- 19. http://www.wormbook.org/chapters/www_dauer/dauer.html.

[11]Cassada R C, Russell R L. The dauerlarva, a post-embryonic developmental variant of the nematodeCaenorhabditiselegans. Developmental Biology, 1975, 46(2): 326- 342.

[12]Klass M, Hirsh D. Non-ageing developmental variant ofCaenorhabditiselegans. Nature, 1976, 260(5551): 523- 525.

[13]Golden J W, Riddle D L. A pheromone influences larval development in the nematodeCaenorhabditiselegans. Science, 1982, 218(4572): 578- 580.

[14]Golden J W, Riddle D L. ACaenorhabditiselegansdauer-inducing pheromone and an antagonistic component of the food supply. Journal of Chemical Ecology, 1984, 10(8): 1265- 1280.

[15]Butcher R A, Fujita M, Schroeder F C, Clardy J. Small-molecule pheromones that control dauer development inCaenorhabditiselegans. Nature Chemical Biology, 2007, 3(7): 420- 422.

[16]Baiga T J, Guo H B, Xing Y L, O′Doherty G A, Dillin A, Austin M B, Noel J P, La Clair J J. Metabolite induction ofCaenorhabditiselegansdauer larvae arises via transport in the pharynx. ACS Chemical Biology, 2008, 3(5): 294- 304.

[17]Gallo M, Riddle D L. Effects of aCaenorhabditiselegansdauer pheromone ascaroside on physiology and signal transduction pathways. Journal of Chemical Ecology, 2009, 35(2): 272- 279.

[18]Golden J W, Riddle D L. TheCaenorhabditiselegansdauer larva: Developmental effects of pheromone, food, and temperature. Developmental Biology, 1984, 102(2): 368- 378.

[19]Butcher R A, Ragains J R, Li W, Ruvkun G, Clardy J, Mak H Y. Biosynthesis of theCaenorhabditiselegansdauer pheromone. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(6): 1875- 1879.

[20]Kaplan F, Srinivasan J, Mahanti P, Ajredini R, Durak O, Nimalendran R, Sternberg P W, Teal P E A, Schroeder F C, Edison A S, Alborn H T. Ascaroside expression inCaenorhabditiselegansis strongly dependent on diet and developmental stage. PLoS ONE, 2011, 6(3): e17804.

[21]Butcher R A, Ragains J R, Kim E, Clardy J. A potent dauer pheromone component inCaenorhabditiselegansthat acts synergistically with other components. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008, 105(38): 14288- 14292.

[22]Srinivasan J, Kaplan F, Ajredini R, Zachariah C, Alborn HT, Teal P E, Malik R U, Edison A S, Sternberg P W, Schroeder F C. A blend of small molecules regulates both mating and development inCaenorhabditiselegans. Nature, 2008, 454(7208): 1115- 1118.

[23]Pungaliya C, Srinivasan J, Fox B W, Malik R U, Ludewig A H, Sternberg P W, Schroeder F C. A shortcut to identifying small molecule signals that regulate behavior and development inCaenorhabditiselegans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(19): 7708- 7713.

[24]Butcher R A, Ragains J R, Clardy J. An indole- containing dauer pheromone component with unusual dauer inhibitory activity at higher concentrations. Organic Letters, 2009, 11(14): 3100- 3103.

[25]Izrayelit Y, Srinivasan J, Campbell S L, Jo Y, von Reuss S H, Genoff M C, Sternberg P W, Schroeder F C. Targeted metabolomics reveals a male pheromone and sex- specific ascaroside biosynthesis inCaenorhabditiselegans. ACS Chemical Biology, 2012, 7(8): 1321- 1325.

[26]Srinivasan J, von Reuss S H, Bose N, Zaslaver A, Mahanti P, Ho M C, O′Doherty O G, Edison A S, Sternberg P W, Schroeder F C. A modular library of small molecule signals regulates social behaviors inCaenorhabditiselegans. PLoS Biology, 2012, 10(1): e1001237.

[27]Yamada K, Hirotsu T, Matsuki M, Butcher R A, Tomioka M, Ishihara T, Clardy J, Kunitomo H, Iino Y. Olfactory plasticity is regulated by pheromonal signaling inCaenorhabditiselegans. Science, 2010, 329(5999): 1647- 1650.

[28]Macosko E Z, Pokala N, Feinberg E H, Chalasani S H, Butcher R A, Clardy J, Bargmann C I. A hub-and-spoke circuit drives pheromone attraction and social behaviour inC.elegans. Nature, 2009, 458(7242): 1171- 1175.

[29]Fouquey C, Polonsky J, Lederer E. Chemical structure of ascarylic alcohol isolated fromParascarisequorum. Bulletin De La Société De Chimie Biologique, 1957, 39(1): 101- 132.

[30]Jezyk P F, Fairbairn D. Ascarosides and ascaroside esters inAscarislumbricoides(Nematoda). Comparative Biochemistry and Physiology, 1967, 23(3): 691- 705.

[31]Tarr G E, Fairbairn D. Conversion of ascaroside esters to free ascarosides in fertilized eggs ofAscarissuum(Nematoda). The Journal of Parasitology, 1973, 59(3): 428- 433.

[32]Bartley J P, Bennett E A, Darben P A. Structure of the ascarosides fromAscarissuum. Journal of Natural Products, 1996, 59(10): 921- 926.

[33]Lapage G. Veterinary Parasitology. Edinburgh: Oliver and Boyd, 1956.

[34]Barrett J. Studies on the induction of permeability inAscarislumbricoideseggs. Parasitology, 1976, 73(1): 109- 121.

[35]Fagerholm H P, Nansen P, Roepstorff A, Frandsen F, Eriksen L. Differentiation of cuticular structures during the growth of the third-stage larva ofAscarissuum(Nematoda, Ascaridoidea) after emerging from the egg. Journal of Parasitology, 2000, 86(3): 421- 427.

[36]Edison A S.CaenorhabditiselegansPheromones Regulate Multiple Complex Behaviors. Current Opinion in Neurobiology, 2009, 19(4): 378- 388.

[37]Holterman M, van der Wurff A, van den Elsen S, van Megen H, Bongers T, Holovachov O, Bakker J, Helder J. Phylum-wide analysis of SSU rDNA reveals deep phylogenetic relationships among nematodes and accelerated evolution toward crown clades. Molecular Biology and Evolution, 2006, 23(9): 1792- 1800.

[38]Ye W M, Torres-Barragan A, Cardoza Y J.Oscheiuscarolinensisn. sp. (Nematoda: Rhabditidae), a potential entomopathogenic nematode from vermicompost. Nematology, 2010, 12(1): 121- 135.

[39]Wang J, Kim S K. Global analysis of dauer gene expression inCaenorhabditiselegans. Development, 2003, 130(8): 1621- 1634.

[40]Berg J M, Tymoczko J L, Stryer L. Biochemistry. 5th ed. New York: WH Freeman and Co., 2002.

[41]Burnell A M, Houthoofd K, O′Hanlon K, Vanfleteren J R. Alternate metabolism during the dauer stage of the nematodeCaenorhabditiselegans. Experimental Gerontology, 2005, 40(11): 850- 856.

[42]Troemel E R. Chemosensory signaling inC.elegans. Bioessays, 1999, 21(12): 1011- 1020.

[43]Inglis P N, Ou G S, Leroux M R, Scholey J M. The sensory cilia ofCaenorhabditiselegans. WormBook, 2007, 1- 22.

[44]de Bono M, Bargmann C I. Natural variation in a neuropeptide Y receptor homolog modifies social behavior and food response inC.elegans. Cell, 1998, 94(5): 679- 689.

[45]Ebrahimi F A W, Chess A. Olfactory G proteins: simple and complex signal transduction. Current Biology, 1998, 8(12): R431- R433.

[46]O′Halloran D M, Fitzpatrick D A, Burnell A M. The chemosensory system ofCaenorhabditiselegansand other nematodes // Schoonhoven L M, Van Loon J J A, Dicke M. Chemical Ecology: From Gene to Ecosystem. New York: Springer Press, 2006, 71- 88.

[47]Kim K, Sato K, Shibuya M, Zeiger D M, Butcher R A, Ragains J R, Clardy J, Touhara K, Sengupta P. Two chemoreceptors mediate developmental effects of dauer pheromone inC.elegans. Science, 2009, 326(5955): 994- 998.

[48]McGrath P T, Xu Y F, Ailion M, Garrison J L, Butcher R A, Bargmann C I. Parallel evolution of domesticated Caenorhabditis species targets pheromone receptor genes. Nature, 2011, 477(7364): 321- 325.

[49]Zwaal R R, Mendel J E, Sternberg P W, Plasterk R H A. Two neuronal G proteins are involved in chemosensation of theCaenorhabditiselegansdauer- inducing pheromone. Genetics, 1997, 145(3): 715- 727.

[50]Fielenbach N, Antebi A.C.elegansdauer formation and the molecular basis of plasticity. Genes & Development, 2008, 22(16): 2149- 2165.

[51]Beall M J, Pearce E J. Transforming growth factor-beta and insulin-like signalling pathways in parasitic helminths. International Journal for Parasitology, 2002, 32(4): 399- 404.

[52]Thomas J H, Robertson H M. The Caenorhabditis chemoreceptor gene families. BMC Biology, 2008, 6(1): 42.

[53]Morran L T, Cappy B J, Anderson J L, Phillips P C. Sexual partners for the stressed: facultative outcrossing in the self-fertilizing nematodeCaenorhabditiselegans. Evolution, 2009, 63(6): 1473- 1482.

[54]Barron G L. The nematode-destroying fungi. Guelph, Canada: Canadian Biological Publications Ltd., 1977.

[55]Hsueh Y P, Mahanti P, Schroeder F C, Sternberg P W. Nematode-trapping fungi eavesdrop on nematode pheromones. Current Biology, 2013, 23(1): 83- 86.

[56]Noguez J H, Conner E S, Zhou Y, Ciche T A, Ragains J R, Butcher R A. A novel ascaroside controls the parasitic life cycle of the entomopathogenic nematodeHeterorhabditisbacteriophora. ACS Chemical Biology, 2012, 7(6): 961- 966.

Research progress on pheromone ascarosides in nematodes

WEI Yanan1,2, DANG Zhengwu3, CHEN Li2, FANG Yuling2, KONG Xiangbo4, HU Chunxiang1,*, ZHAO Lilin2

1CollegeofForestry,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China2StateKeyLaboratoryofIntegratedManagementofPestInsectsandRodents,InstituteofZoology,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China3ShangluoForestPestsControlandQuarantineStation,Shangluo726000，China4KeyLaboratoryofForestProtectionofStateForestryAdministration,ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China

Abstract：Most organisms can secrete pheromones to mediate their behavior, development, and physiological metabolism. However, prior to the discovery of a group of intra-specific chemical signal substrates called ascarosides the pheromones of nematodes had not yet been described. The main chemical structures of ascarosides are made up of the sugar ascarylose, which is linked to fatty acid-like side chains of varying lengths. Ascarosides were originally isolated from the parasitic nematodeAscaris, the animal after which the group of compounds was named. Ascarosides play important roles in mediating different behaviors and development, such as mate finding, aggregation, and diapause in the free-living species Caenorhabditis elegans. Ascarosides also mediate distinct nematode behaviors, such as retention, avoidance, and long-range attraction. Likewise, a growing body of literature reports the identification of ascarosides in a wide range of other nematodes. The different nematode species respond to distinct, but overlapping, sets of ascarosides.

A wide range of biological functions is facilitated by a great diversity of ascarosides with varying chemical structures. Different ascarosides or combinations of ascarosides mediate the production of different phenotypes, and even small differences in chemical structures are often associated with strongly altered activity profiles. Additional complexity arises from concentration-dependent effects, and synergism between different ascarosides. At picomolar concentrations, a synergistic mixture of at least three ascarosides produced by hermaphrodites triggers male-specific attraction inC.elegans. At higher concentrations, the same ascarosides, perhaps in a different mixture, induce the developmentally arrested stage known as dauer.

Ascaroside signaling communicates detailed information about the life history and metabolic state of a nematode individual. The production of ascarosides is strongly dependent on environmental conditions, with the expression and concentrations of different ascarosides being sensitive to life stage, sex, food availability, and other environmental factors, suggesting that ascarosides regulate the overall life cycle ofC.elegans. At the same, in some studies investigating the ascarosides of parasitic nematodes, most of the species produce species-specific ascaroside mixtures, e.g., ascaroside biosynthesis patterns appear to be correlated with phylogeny.

The ascarosides are sensed by several types of chemosensory head neurons, including the ASK, ASI, and ADL neurons, as well as the male-specific CEM neurons. Ascaroside perception is mediated by diverse families of G-protein coupled membrane receptors that act upstream of conserved signal transduction pathways, including insulin/IGF-1 signaling and transforming growth factor beta (TGF-β) signaling. The biosynthesis of ascarosides appears to integrate input from several primary metabolic pathways, including peroxisomal β-oxidation of long-chain fatty acids and amino acid catabolism.

In this paper, we reviewed recent discoveries in this field, including reports of the structures and identification, components and functions, biosynthesis and metabolic regulation, allelopathic signaling pathways, and signal regulate mode of ascarosides, not only in nematodes, but also in other organisms. The aim is to provide an updated and comprehensive synthesis of the ascaroside literature. This will benefit future research on the chemical ecology of nematodes, and be of great value to the field of neurobiology.

Key Words:ascarosides; Caenorhabditis elegans; parasitic nematodes; pheromone

DOI:10.5846/stxb201409011734

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: hcx386@163.com

收稿日期:2014- 09- 01; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 07- 29

基金項(xiàng)目:林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201204501); 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃:2014AA020529); 國家自然科學(xué)基金(31221091, 31272323, 31370650); 中國科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目(KSCX2-EW-J-2); 中國科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)(XDB11050100)

魏亞楠, 黨政武, 陳立, 方宇凌, 孔祥波, 胡春祥, 趙莉藺.線蟲蛔甙(Ascarosides)信息素研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(6):1501- 1514.

Wei Y N, Dang Z W, Chen L, Fang Y L, Kong X B, Hu C X, Zhao L L.Research progress on pheromone ascarosides in nematodes.Acta Ecologica Sinica,2016,36(6):1501- 1514.