昆虫气味结合蛋白研究进展_缪森

CN53-1045/N　ISSN0258-7971

昆虫气味结合蛋白研究进展

缪　森,张　龙,王丽红

1

1

2

(1.中国农业大学农业部生物防治重点开放实验室,北京　100094;2.云南省玉溪农技职业学校,云南玉溪　653100)

摘要:随着昆虫触觉气味结合蛋白的发现,目前,昆虫气味结合蛋白研究已进入细胞分子水平,昆虫学研究者希望从生化及分子水平弄清昆虫气味结合蛋白的生理功能,揭示昆虫气味结合蛋白与昆虫行为的关系.本文就昆虫气味结合蛋白的研究种类、生化特性、生理功能、目前存在关于昆虫气味结合蛋白如何执行其功能的假说等进行综述.

关键词:气味结合蛋白;种类;生化特性;功能;假说

中图分类号:Q71　　文献标识码:A　　文章编号:0258-7971(2003)S-0161-05

　　昆虫在长期进化过程中,昆虫发展演变了发达的触角系统,不仅具有触觉,味觉功能,还在昆虫觅食,寻找配偶,交配,产卵等行为中发挥作用.因此,研究昆虫触角是弄清昆虫触角功能及行为的基础.早在20世纪80年代,对昆虫感受器周围的液体进行研究,发现含有低分子量的蛋白质,推测这些物质可能与帮助疏水性气味分子穿过液体阻碍到达昆虫触角感受器树突膜有关系,并提出了气味分子结合蛋白的概念—OBP(Odorantbindingpro-tein).从那以后就不断有大量关于OBP报道.目前,这类蛋白的结构和功能研究依然很活跃,然而一些问题仍然有待解决,需要进一步的研究.

[1]

到现在对鳞翅目、双翅目、鞘翅目、半翅目、修

目的OBP都有不同程度的研究.研究得最多的是鳞翅目,这可能与鳞翅目的信息素研究得比较深入有关.

1.3　PBP的分布及生化特点1.3.1　PBP多存在于昆虫触角毛状感受器中,多数分布于雄性个体,有些雌性个体也测到有少量该物质;有些雌性个体没有被测到,推测是因为含量太少.KriegerJ.等人对家蚕的雌雄个体的不同部份,触角,头,胸,分别进行了检测,结果表明PBP只在触觉中存在,头、胸都测不到,而且雌性个体表达水平较低.1.3.2　PBP的生化特征　PBP分子量15～17kD,氨基酸序列在140～150位氨基酸间,具有N-信号肽(20多个氨基酸的序列),等电点在4.5～5.2间;它的6个半胱氨酸遗传特性较为保守,在氨基酸序列的同一位置出现;在PBP的C-端都出现一些特征性的氨基酸残基(Leu,Ala,Glu);成熟的蛋白质长度都在142～143氨基酸,只有很少部分蛋白有些差别,它表明恒定的长度对蛋白质功能可能起到很重要的作用[3].

1.3.3　PBP的三维结构仍然不清楚,根据它的序列分析,推测在它的44～60位氨基酸间可能是信息素的结合区,而且已通过光亲和标记实验[4]

[2]

1　OBP种类及其特征

1.1　概念　OBP—气味分子结合蛋白,用来命名一类集中分布于椎动物的鼻粘膜或存在于昆虫的

触觉淋巴感受器里面的一种小分子可溶性蛋白质[1].

1.2　OBP种类　对昆虫种类、种间和目间的OBP蛋白质的结构特点的对比分析,是对当前的OBP嗅觉转导假说进行讨论的基础.到目前为止,OBP包括已确定的3个亚簇PBP,GOBP1和GOBP2;以及新报道的一些的OBP亚型.先将OBP所存在的昆虫种及功能等列如表1.

[1～25]

收稿日期:2003-04-02

　作者简介:缪　森(1974-　),女,云南人,硕士生,主要从事植物保护与生物防治方面的研究.

162云南大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　第25卷表1　存在OBP的昆虫种及特点[1～25]

Tab.1OBPclassesfoundinsomeentomologyspecies,locationandbiologicalfunction

OBP种类PBP

存在的昆虫种AntheraeapolyphernusA.pernyiBpmbyxmoriDrosophilamelanogasterHeliothisvirescensHyalophoracecropiaLymantriadisparManducasextaMamestrabrassiaeOrgyiapseudosugata

中文名　　多音大蚕蛾柞蚕家蚕黑尾果蝇烟芽夜蛾

金星木岑叶槭大蚕蛾舞毒蛾烟草天蛾甘蓝夜蛾黄杉合毒蛾柞蚕家蚕烟草天蛾烟芽夜蛾烟草天蛾家蚕烟芽夜蛾烟草天蛾甘蓝夜蛾

存在部位　触角毛形感觉器内

功能　

参与信息素的识别

GOBP1AntheraeapernyiBpmbyxmoriHeliothisvirescensManducaSexta

触角锥形感受器内

参与普通气味的识别如:食物,寄主气味

GOBP2AntheraeapernyiBpmbyxmoriHeliothisvirescensManducaSextaMamestrabrassiae

证明了这种观点的正确性.一种信息素类似物以共价键结合44位的苏氨酸,这一发现提示:信息素可能结合在由结合蛋白形成的柄上,而该柄状结构正位于这种结合蛋白形成的囊状的蛋白质结构内部[5].

1.3.4　在多音大蚕蛾(Antheraeapolyphernus)和柞蚕(Antheraeapernyi)中有3种信息素成分AC1,AC2,ALD[6],对应于它们发现了3种与之结合的PBP亚型的存在.而PBP在家蚕(Bombyxmori)中仅发现了1种PBP,但值得注意的是家蚕有2种信息素:Bombykol和Bombykal

[7]

结构的相关性比物种系统的距离相关性更大.

不同种的PBP表现出中等同源性,这低于GOBP之间的同源性,这说明PBP趋异性更强,对它们所接受的特殊的信息素配体来说,它们显得比GOBP更易特化和折迭.1.4　GOBP分布及生化特点

(1)GOBP是一种普通气味结合蛋白,一般在雌雄个体中的表达的水平量很相似.但更进一步实验表明GOPB只在这样的感器中表达:这种感器能对食物,寄主气味而不是信息素作出反应,主要存在于昆虫锥形感受器内[1].

(2)GOBP的生化特征,GOBP分子量为16～17.2kD,氨基酸序列在140～150位氨基酸,具有N-信号肽(20多个氨基酸的序列),等电点为4.9～5.1;同样具有6个保守的半胱氨酸;GOBP1与

[8]

,这样可以

推测2种信息素都由同种PBP所识别,只是存在不同电生理特征的感觉神经元反应当中.尤其是家蚕和烟草天蛾对同一信息素发生作用,这说明同一种PBP不是专一的识别某种信息素,PBP与配体

增刊　　　　　　　　　　　　　缪　森等:昆虫气味结合蛋白研究进展163

GOBP2之间比同一亚簇内的同源性要低,如Bombyxmori的Gobp2与Gobp1的同源性仅为

[4,8]51.8%.

电生理技术的应用及其生物化学,分子生物学的利用,更多的OBP亚型被发现,现将一些新发现可能与OBP表达相同功能的蛋白[3,5,9～11]列如表2:

1.5　所发现的其它气味分子结合蛋白　随着昆虫

表2　一些新发现OBP亚型

Tab.2SomelatterlyfoundsubclassesofOBP

种类Rpa12Rpa12'ABPX

发现的昆虫种　　RhynchophoruspalmarumAntheraeapernyiBpmbyxmoriHeliothisvirescens

LUSHLAP

DrosophilamelanogasterLyguslineolaris

中文名　　　　　　棕榈象甲柞蚕家蚕烟草夜蛾黑尾果蝇牧草盲蝽

触角腹侧第三节触角多孔嗅觉感觉器分布　　　　　　　　触角触角

　　家蚕的ABPX开放阅读框编码一个137aa的蛋白,还包括了一个分泌性信号肽约19氨基酸,成熟蛋白质118氨基酸,分子量12.8kD,它与前2簇结合蛋白都有共同的6个半胱氨酸位点,半胱氨酸后紧跟共同的间隔序列模式,它在雌雄个体中表达水平没有差别[12].

有人推测,在其它昆虫种中也有多种结合蛋白,只是表达水平较低,所以暂时还没测出.而且这种可溶性蛋白可能还有比目前所知的气味识别、接受信息素及气味的功能更重要的功能[2].

运输到感觉嗅觉神精膜上或者从神经膜上运输离开的功能[11,14].这样,OBP具有双重功能,将气味分子运输到树突膜上并又将它运走.

2.3　降解和清除气味分子及有毒物质　OBP除了激活嗅觉受体外还与气味分子形成复合物,阻止气味分子进一步刺激受体,即非-酶机制.

有研究表明[4],在性信息素引起昆虫终端信号发出的同时,昆虫的触觉嗅觉感器中存在一种特殊的酶,对信息素进行功能修饰.如在多音大蚕蛾(Antheraeapolyphernus)触觉中,信息素AC1被一种特殊酯酶———信息素降解酶所降解,降解成相应的醇类物质.

2.4　保护触角的化学感器　GOBP这类蛋白只在锥形感受器上表达,负责对食物等特定的气味分子接受,而PBP在昆虫的毛形感受器上表达,对信息素作出反应,所以气味蛋白可能起到了一种选择性滤网的功能.另外,它的降解和清除气味分子及有毒物质其实也是一种保护功能.

[6]

[1,14]

2　OBP的生理功能

2.1　选择性结合气味分子及信号转导　GOBP在雌雄个体触觉中的表达都很相似,它们在对食物,寄主气味应答的锥形感器上,这类蛋白质有助于气味识别[2].

OBP这类蛋白可能起到捕获或激活气味分子的作用.PBP在雌雄个体触觉中的表达有差异性,一般在雄性个体中表达,通过信息物类似物标记实验[13],它特异性的与信息素结合,表明它与识别信息素有关.昆虫中嗅觉感受器除了接受气味外还具有接受性息素的功能.OBP只在触角感觉器中出现,预示着它具有气味接受功能.

2.2　协助气味分子的运送　OBP在昆虫嗅觉淋巴夜中可能执行着一种聚集疏水性气味分子,并将它

3　关于OBP与气味分子的作用机制假说

大部分气味分子是一种疏水分子,在到达昆虫触觉的被嗅觉毛包裹的树突膜以前,它有一个穿过

几微米厚的粘液层的过程.问题是刺激出现以后嗅觉接受为何如此之快,为了解释这一问题,提出了3个不同的模型

[1]

.

1云南大学学报(自然科学版)　　　　　　　　　　　　　　　　第25卷

(1)气味分子是疏水性的,OBP起到溶解气味分子包括信息素,并将它们运输到嗅觉神精膜上.该模型解释了疏水性气味分子如何迅速的穿过淋巴液刺激感器受体的.

(2)第2个模型认为:气味分子进入触觉淋巴液要穿越一些由角质膜形成的通道(孔状管道).OBP除了激活嗅觉受体外,它还迅速与气味分子形成复合物,阻止气味分子进一步刺激嗅觉受体,这个模型解释了气味分子被钝化的原因:非-酶机制.在该假说下,OBP就成了一种保护屏障保护外界的潜在的有毒物质不能到达嗅觉神经元.

(3)第3种个模型结合了上面2个模型的理论,认为OBP具有双重功能,并且有两种活性形式,执行着两种功能———携带气味分子到达嗅觉膜上并将它运输离开.例如多音大蚕蛾(Antheraeapolyphernus)中2种PBP结合同一种信息素,并发现两种PBP中,一种有6个半胱氨酸,另一种有4个半胱氨酸,推断2种PBP是同一物质的处于不同氧化状态的2种形式,从而执行2种功能[13].

最后一个模型具有2个优点:首先,OBP参与了气味的识别作用,使感觉神经能很快的作出一个快速而有效的终端应答.其次,OBP能够结合气味和信息素将它移走,以免系统持续接受刺激,这对于解释OBP如何保护嗅觉感器很重要.

(4)随着GOBP和更多的气味结合蛋白的发现,为OBP的功能研究提供了更多的理论基础,并预示了同一种气味结合蛋白具有2种或更多的存在形式,它们之间的区别只是具有不同的配体,气味识别功能可能与OBP的可溶性有关.于是产生了另一个假说:OBP气味识别功能是从细菌的趋化性演变来的.并认为这些可溶性蛋白将会结合气味和信息素,并且只有它们的复合物形式才被膜受体所识别[1].

以上理论都从不同方面对OBP相关功能的机制进行了推论,但都缺乏实验证据,有待进一步的证实.

[14]

[1]

理生化过程仍然是一些模型假说.

昆虫气味分子结合蛋白的研究仍然在深入,基因水平上从DNA到mRNA,从mRNA到cDNA,以及cDNA文库的构建有利于弄清昆虫气味分子结合蛋白的分子基础.触角电位仪,质谱仪,膜片钳技术的利用,有利于从生理生化水平揭示昆虫气味分子结合蛋白的功能.目前,对于它功能的研究,都是从分子水平及生理生化水平提供大量的证据,以利于对其功能的推导.对昆虫气味分子结合蛋白研究的因素,应该是各种研究昆虫触角的探测系统,当然,利用已有的化学感受器的探测系统,对昆虫特定功能进行重建实验,将会是最终了解气味结合蛋白功能的一种途径.

对昆虫气味分子结合蛋白的研究,弄清菜触角接受外界信息的机理,从生理生化水平了解昆虫触角与昆虫行为觅食、产卵、交配等昆虫行为的关系.从害虫防治角度,掌握了昆虫气味分子结合蛋白的接受机理,有利于人们的昆虫行为的控制,干扰昆虫对信息素的接受,控制害虫的发生量.干扰昆虫的觅食行为减少害虫数量,或研制直接破坏其昆虫气味分子结合蛋白的新型杀虫剂.总之,昆虫气味分子结合蛋白的研究具有广泛的应用前景.

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4　讨　论

目前,昆虫气味分子结合蛋白的功能的生化基

础及基因水平的研究,以及对与之结合的信息素、食物气味、寄主气味等气味信息的分子的研究,为研究昆虫气味分子结合蛋白功能提供很多的信息,但它的功能仍是在实验基础上的推理,关于它的生

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SurveyandresearchhistoryofPavococcidianspecies

HEMu1,ZUOYang-xian2

(1.KunmigZoo,Kunming650021,China;2.TheDepartmentofBiology,YunnanUniversity,Kunming650091,China)

Abstract:ThisarticledescribesthecocidiaspeciesofPavo.Theyinclude9speciesofEimeriaand2speciesofIsospora.

Keywords:Pavo;Eimeria;Isospora

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(上接第165页)

Studyprogressofinsectodorant-bindingprotein

MIAOSen1,ZHANGLong1,WANGLi-hong2

(1.TheKeyLaboratoryofMinistryofAgricultureforBiologicalControl,ChinaAgriculturalUniversity,

Beijing100094,Chian;2.YuxiAgriculturalTechnologyCollege,Yuxi653100,China)

Abstract:Presently,theOBP-odorantbindingproteinresearchesaresteppingtoacellandmolecularlev-el.Entomologistholdexpirestounveilthemolecularphysiologicalmechanismofodorantbindingprotein,anduncovertherelationbetweenodorantbindingproteinandinsectbehaves.Inthispaper,theodorantbindingproteinclasses,biochemistry,physiologicalroleandthefunctionhypothesisarereviewedanddiscussed.

Keywords:odorant-bindingprotein;classes;biochemistry;physiologicalrole;andfunctionhypothesis