昆虫谷胱甘肽硫转移酶农药解毒与内源代谢研究进展

李亚红

（山西大学应用生物学研究所,山西太原 030006）

昆虫谷胱甘肽硫转移酶农药解毒与内源代谢研究进展

李亚红

（山西大学应用生物学研究所,山西太原 030006）

谷胱甘肽S-转移酶（Glutathione S-transferase,GST）是生物体内重要的解毒酶系之一，广泛存在于动物、植物和微生物中。目前有关昆虫GST的研究多集中在其对农药的抗性机制及代谢解毒方面，但深入的分子机制尚有待深入研究。本文结合国内外昆虫GST的最新研究成果以及课题组多年来对飞蝗GST的研究成果，着重从分子水平介绍昆虫GST基因对农药代谢解毒机制及其参与内源物质代谢机理的研究进展。对昆虫GST分子机制的研究，将有助于深化对昆虫GST的抗药性机制和生理功能的认识，发现新的分子靶标，为新型杀虫剂的研发和农林害虫的防治提供新思路。

昆虫；谷胱甘肽硫转移酶；农药解毒；内源代谢

谷胱甘肽S-转移酶（Glutathione S-transferase，以下简称GST）是一类古老的基因超家族酶系，广泛分布于细菌、真菌、植物和动物等几乎所有的好氧生物体内，参与生命体众多的生理功能[1]。GST是生物体内重要的II相解毒酶，可通过催化还原性谷胱甘肽（GSH）与有毒的疏水亲电物质发生轭合反应，使之毒性降低，可溶性增强而排出体外，从而达到解毒的目的[2]。GST还广泛参与生物体多种内源物质的生物合成与代谢，内容涉及信号通路、嗅觉反应、抗氧化胁迫、激素合成与代谢以及作为配体结合蛋白参与胞间物质运输等多种功能。

昆虫GST研究主要集中在对农药的抗性和代谢解毒机制方面，但深入的分子机制尚不明确；与人和小鼠等模式生物相比，昆虫GST参与内源物质代谢方面的研究报道相对较少。本文拟在大量文献调研和对本领域多年研究积累的基础上，就昆虫GST基因对农药代谢解毒机制及内源物质代谢机理的国内外研究进展进行概述。

1 昆虫GST基因在农药代谢解毒方面的研究

由于昆虫GST超家族成员众多、结构相似、功能相近，导致昆虫GST在农药代谢解毒方面的研究存在诸多困难。研究工作长期停留在GST理化性质、酶学特征和推测其介导昆虫抗药性等方面。近年来，随着分子生物学技术的发展，昆虫GST的分子毒理学研究越来越引起重视，对一些昆虫GST的农药解毒机制也已开展了深入探索。

Kristensen报道杀虫畏、乐果和林丹抗性品系家蝇（Musca domestica）体内的GST活性明显提高[3]。Vontas等发现苄氯菊脂和氯氟氰菊酯抗性品系褐飞虱（Nilaparvata lugens）体内GST的过氧化物酶活性提高[4]。Ranson等报道冈比亚按蚊（Anopheles gambiae）的 DDT抗 性 品 系 体 内AgGSTe2基因表达量是敏感品系的5倍，该酶参与冈比亚按蚊体内90%以上的DDT降解反应。本课题组前期工作表明飞蝗（Locusta migratoria）田间抗性种群的GST酶活力是实验室敏感品系GST酶活力的1.2～2.0倍，据此推测GST参与飞蝗有机磷杀虫剂的代谢解毒。

通过对杀虫剂抗性昆虫品系体内过表达GST的深入研究，现已明确了部分昆虫GST对杀虫剂的代谢解毒机制。目前已知昆虫GST通过以下4条途径发挥作用：①GST催化GSH与杀虫剂共轭结合，通过生成毒性较低的共轭物排出细胞。包括2种反应方式：一种是O-脱烷基反应，家蝇（Musca domestica）通过该途径对杀虫威产生抗性[5]；另一种是O-脱芳基反应，小菜蛾（Plutella xylostella）通过该途径对甲基对硫磷和对硫磷产生抗性[5]。②GST通过催化DDT的脱氯化氢反应解毒[6]。它是大略按蚊（Anopheles dirus）、冈比亚按蚊（Anopheles gambi⁃ae）和埃及伊蚊（Aedes aegypti）等蚊科生物对抗有机氯灭蚊剂的主要方式[7]。③GST通过提高抗氧化活性来保护细胞免受农药导致的氧化损伤。褐飞虱（Nilaparvata lugens）GST具有谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）活性，能够参与消除脂质过氧化中间产物，达到抗氧化损伤的作用[4]。④GST作为配体蛋白，通过螯合作用，降低杀虫剂的有效浓度。黄粉虫（Tenebrio molitor）的GST可作为配体蛋白，通过被动隔离机制降低拟除虫菊类农药的有效浓度，以产生解毒作用[8]。

2 昆虫与模式生物GST基因在内源代谢方面的研究

GST基因在昆虫纲（3.5～4亿年）形成前就在动物、植物和微生物界广泛存在，昆虫特有的epsilon和delta家族GST至少在双翅目和鳞翅目出现分化前就已形成[9]。昆虫GST的历史远比人类历史（400～700万年）要悠久得多。因此，在漫长的进化历史中，昆虫GST基因并不是因农药胁迫的压力下而保留下来，选择压力更为恒定的内源代谢和生理调节需求，乃至多样的外界环境胁迫压力才是众多昆虫GST基因保留和扩增的根本原因。目前，昆虫GST内源代谢和生理调节功能研究还非常薄弱。目前的研究主要集中在sigma和zeta家族GST中。

Sigma家族GST与微粒体GST参与前列腺素衍生物的生物合成。前列腺素在昆虫多种生理功能中扮演重要角色，其启动蟋蟀（Teleogryllus commo⁃ dus）的产卵行为,介导昆虫卵的发育,调节昆虫马氏管、直肠和唾液腺内液体的分泌过程,还参与昆虫因微生物感染和寄生虫入侵所引起的多种免疫反应[10]。前列腺素衍生物合成途径可以概括为如下步骤：磷脂酶A2催化膜磷脂生成花生四烯酸；花生四烯酸在环氧合酶的作用下转化为前列腺素H2，后者作为通用底物，在自发或酶催化作用下经消旋、氧化或还原反应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。家蚕（Bombyx mori）和鸡蛔虫（Ascaridia galli）的sigma家族GST能够催化前列腺素H2生成前列腺素E2[11]。

酪氨酸先后在酪氨酸转氨酶、双加氧酶作用下生成马来酰乙酰乙酸；后者在马来酰乙酰乙酸消旋酶（zeta家族GST）、富马酰乙酰乙酸水解酶催化作用下生成富马酸和乙酰乙酸；马来酰乙酰乙酸也可经过马来酰乙酰乙酸脱羧酶和zeta家族GST作用生成富马酰醋酸。Zeta GST缺陷型小鼠（GSTz1-∕-）会出现马来酰乙酰乙酸及其衍生物的富集，进而导致明显的氧化压力、引起其余GST家族成员的补偿性上调以及肝脏、肾脏和脾脏异常等一系列问题。

3 小结

综上所述，GST不仅参与昆虫对农药等外源化合物的解毒过程，而且在昆虫和模式生物的内源代谢方面也起着非常重要的作用。昆虫谷胱甘肽S-转移酶在内源和外源代谢方面的研究，必将为发现新的分子靶标和新型杀虫剂的研发提供理论基础，也为飞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.

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[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

李亚红（1990-），女，山西临汾人，在读硕士，研究方向：分子毒理与害虫防治。

〔责任编辑 杨德兵〕