昆虫酚氧化酶研究进展
2015-04-10刘菲
刘 菲
(1.陕西学前师范学院生物科学与技术系,陕西西安 710061;2.陕西师范大学生命科学学院,陕西西安 710062)
昆虫酚氧化酶研究进展
刘 菲1,2
(1.陕西学前师范学院生物科学与技术系,陕西西安 710061;2.陕西师范大学生命科学学院,陕西西安 710062)
酚氧化酶(phenoloxidase,PO)属于3型含铜蛋白(type-3-copper-containing proteins),该蛋白家族在自然界中广泛存在,并行使着多种多样的生理学重要功能。酚氧化酶是黑色素合成中最重要的酶之一,外源病原物的杀死、血液凝集、抗菌肽表达、伤口愈合和粪便黑化都与酚氧化酶有着密切的关系。酚氧化酶在昆虫体内以酚氧化酶原(prophenoloxidase,PPO)的形式存在。本文主要从酚氧化酶的来源、检测、结构、激活及其功能等方面进行综述,以期为进一步探究酚氧化酶在农业病虫害防治方面的可能应用提供新思路。
酚氧化酶;来源;检测;结构;激活;功能
酚氧化酶(phenoloxidase,PO)属于3型含铜蛋白(type-3-copper-containing proteins),该蛋白家族在自然界中广泛存在,如高等动物体内的酪氨酸酶(Tyrosinase)、植物的儿茶酚氧化酶(Poly phenoloxidase,PPO)、节肢动物血蓝蛋白(Hemocyanin)和昆虫及虾蟹的酚氧化酶[1]。3型含铜蛋白具有多种不同的生理功能。高等动物的酪氨酸酶存在于皮发和神经系统之中,该酶的功能异常将导致白化病和帕金森症等疾病[23],植物的PPO在个体受损伤后可以被激活,进而引起褐化并影响食物的品质[4]。而昆虫酚氧化酶是一个非常重要的免疫蛋白,在血淋巴中以酚氧化酶原(prophenoloxidase,PPO)的形式存在。本文从来源、检测、结构、激活及其功能等方面综述昆虫PPO的研究进展,以期为进一步探究酚氧化酶在农业病虫害防治方面的可能应用提供新思路。
1 昆虫酚氧化酶的来源
PPO主要是由血细胞合成的,黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)幼虫含有三种分化的血细胞类型,分别是浆细胞(plasmatocytes)、含晶细胞(crystal cells)和层状细胞(lamellocytes),这三种血细胞都是由其前体原血球细胞(prohemocyte)分化而来[5]。果蝇的基因组中含有3个PPO基因(PPO 1/CG5779,PPO2/CG8193,PPO3/CG2952),PPO1和PPO2主要在含晶细胞中表达[6],PPO3主要在层状细胞中表达[7]。而在其他许多昆虫中,PPO都是由血细胞中的拟绛色细胞(oenocytoid)合成的[8]。
果蝇PPO在含晶细胞中的表达依赖于RUNX(Runt-related transcription factor)相关转录因子Lz(Lozenge)和GATA转录因子Srp(Serpent)[9],全基因组芯片分析结果显示,果蝇PPO基因是组成性表达,其RNA水平不受细菌或真菌感染的影响[7-9]。然而,在果蝇受到寄生蜂感染48-72 h后,PPO3的RNA水平显著上调[5]。并且,PPO3的过表达能够诱导S2细胞果蝇本身的组成性黑化,PPO1和PPO2并没有这种现象[6]。PPO3可能在层状细胞参与的抗寄生虫的黑化反应中起着重要的作用。
虽然血细胞是PPO的主要来源,但是其他组织也可能合成PPO。家蚕(Bombyx mori)翅原基与造血器官构成复合体,粘着在体壁内表面上[10]。刁玉璞等人发现家蚕翅原基中含有PPO[11]。在体外培养的条件下,PPO能够释放到培养基中。将翅原基手术摘除后,血淋巴中的PPO含量明显减少,证明翅原基含有PPO并可能作为血淋巴PPO的来源之一。用灭活的细菌刺激家蚕,发现翅原基PPO的转录水平没有明显的改变,说明翅原基中的PPO可能与家蚕的免疫应答无关,但却是血淋巴PPO的稳定来源之一[11]。邵奇妙等人发现家蚕后肠细胞也可产生PPO,并将其分泌到后肠内容物当中,这些PPO使得后肠内容物和粪便黑化,从而减少粪便中的细菌[12]。在果蝇中,PPO1基因的突变Black cells(Bc),在果蝇的幼虫中产生无功能的含晶细胞。Bc抑制了由Spn27A突变引起的血淋巴组成性黑化,但是它不能阻止由Spn77Ba突变引起的气管上皮的黑化,这意味着与气管黑化相关的PPO不是来源于含晶细胞,而是由上皮细胞合成的[13]。
2 昆虫酚氧化酶的检测
检测PPO的传统方法是运用免疫染色或原位杂交的方法来检测PPO蛋白或转录本[14]。例如,家蚕和烟草天蛾(Manduca sexta)的免疫染色和原位杂交结果表明其拟绛色细胞能产生PPO[8,14]。然而由于昆虫PPO抗体的缺乏或其他限制,想在大多数昆虫中检测PPO并不容易。有一些简便的方法可以检测细胞和组织中的PPO。昆虫PPO能被许多阳离子或阴离子洗涤剂和醇类(如甲醇、乙醇和异丙醇)通过未知的机制激活,研究者可以利用这个特性来检测细胞和组织中的PPO。凌尔军等人发现,用35%乙醇配制的浓度为1mg/ml的L-DOPA溶液孵育血细胞,除了家蚕拟绛色细胞和浆细胞外,还能鉴定出一部分原血球细胞和颗粒细胞含有PPO[15]。基于这种方法,凌尔军等人研究了烟草天蛾的包囊和黑化反应[16],刁玉璞等发现家蚕翅原基含有PPO[11]。该方法还可以运用于检测非变性聚丙烯酰胺凝胶中的PPO。例如,果蝇PPO1和PPO2在同一张非变性聚凝胶上呈现两条不同的条带[17]。
3 昆虫酚氧化酶的结构
PPO和血蓝蛋白、儿茶酚氧化酶以及酪氨酸酶都属于3型含铜蛋白,该类蛋白的每个活性中心口袋含有2个铜离子和3个组氨酸[18]。烟草天蛾PPO异二聚体的晶体结构显示,在Arg51和Phe52之间的剪切导致了构象的改变,两个亚基都有一个特定的苯丙氨酸(F)从活性位点移出,从而使活性中心底物结合的位点暴露出来,这个F氨基酸被称为place holder。烟草天蛾PPO1/2晶体结构的解析完成,为其功能研究提供了更多的参考依据[18]。
各种昆虫中PPO基因的数目差别很大,在鳞翅目昆虫中PPO基因通常较少,如烟草天蛾和家蚕均分别具有2个PPO基因。在果蝇基因组中,目前发现3个PPO基因。而在冈比亚按蚊(Anopheles gambiae)和埃及伊蚊(Aedes aegypti)的基因组中,则分别发现多达9个和10个PPO基因[19]。这些不同的PPO是否具有不同的理化性质和功能?刘菲等人将果蝇的3个PPO(PPO1、PPO2和PPO3)在果蝇血细胞系S2中进行了表达,发现果蝇的3个PPO蛋白有着非常不同的理化性质,并对铜离子有着不同的反应[6]。其中,r PPO1和r PPO2需要额外的Cu2+才能有活性,但r PPO3表达后就有活性,加入Cu2+后会发生自激活。传统的观点认为PPO的激活是通过丝氨酸蛋白酶(serine proteases)将PPO剪切成为PO来实现的,但r PPO3在自激活后并没有被酶剪切成为PO3,即rPPO3在酶原形式就有活性。另外,rPPO1和rPPO2对于Cu2+有着不同的反应速度[6]。这些特性与各个PPO蛋白的结构密切相关,参照烟草天蛾PPO的晶体结构,通过同源建模及突变体的表达,结果显示,有两个氨基酸位点可能通过改变PPO活性中心口袋的大小影响3个PPO的活性。另外,PPO3 C-端一段序列的缺失也能影响PPO3的活性以及自激活[20]。
4 昆虫酚氧化酶的激活
酚氧化酶在血淋巴中是以酶原的形式存在的,含有N-端CLIP结构域的血淋巴丝氨酸蛋白酶在PPO氨基端的特定位点,如在Arg-Phe位点将其剪切激活。这些PPO激活蛋白酶本身在识别微生物感染后作为蛋白酶级联反应的一部分所激活,在某些情况下,PPO的激活需要缺少酶活性的辅因子SPH(serine protease homolog)的参与。PPO激活级联反应也受到丝氨酸蛋白酶抑制剂(serine protease inhibitor,serpin)的调控,因为黑化反应对于生物体本身也具有损伤作用,因此其在时间和空间上都受到严格的控制。体内实验表明,不受控制的黑化反应会产生过量的毒性中间产物,最终导致宿主的死亡[13]。
PPO激活的空间和时间调控发生在几个水平。首先,PPO的激活依赖于对外源微生物细胞壁组分或其他触发因子的识别,由此保证了黑化只在这些因子存在的地方发生。黑化触发因子的识别导致了蛋白酶级联反应的激活。由于这些蛋白酶本来就以非活性的酶原形式存在,PPO能够在需要黑化的地方很快地激活。运用蛋白酶级联反应激活PPO的另外一个好处是信号的放大,其中serpin也参与多个步骤的调控。在较大昆虫的生化研究中表明,一旦PPO激活,PO的活性可能受聚类蛋白和一些PO抑制剂的调控,这样就可以及时地关闭黑化反应[21]。
路岸瑞等总结了昆虫PPO激活的三种机制[22]。大多数PPO的激活都需要从PPO中保守的Arg-Phe位点进行剪切,去掉N-端大约50个氨基酸。在家蚕中,最下游的酚氧化酶激活酶(PPO-activating enzyme,PPAE)将PPO1和PPO2从51RF52处剪切,成为有活性的PO1和PO2[22]。
在烟草天蛾中,PPO通过更加复杂的机制激活,已知三个直接剪切PPO的酚氧化酶原激活蛋白酶(prophenoloxidase activating proteinase,PAP)已被发现并鉴定出来。这三个PAP能够在与家蚕相应的保守位点(PPO1是51RF52,PPO2是49RV50)处直接剪切PPO。然而,剪切后的PO活性非常低,但当辅助因子SPH存在时,PO的活性明显提高[22]。
在东北大黑鳃金龟(Holotrichia diomphalia)中,三个PPO激活因子(PPO-activating factor,PPAF-I,PPAF-II和PPAF-III)已经被鉴定出来,当PPAF-I将Hd PPO1从保守的51RF52位点剪切后,得到的PO并没有活性,当混合的三种PPAF将纯化的PPO1从162RA163处再次剪切后,才产生了有活性的PO[22]。
果蝇PPO1的预测剪切位点也是在Arg-Phe位点,而PPO2和PPO3是在Arg-Val位点,但体外实验发现,商品化的α-胰凝乳蛋白酶(α-chymotrypsin)至少在三个位点剪切PPO1,从而产生有活性的PO[22]。
在果蝇中,对PPO激活的信号通路了解的还很少。家蚕实验证明,识别病原物并引发免疫反应的模式识别受体(Pattern recognition receptors,PRRs)尤其是肽聚糖识别蛋白(peptidoglycan recognition proteins,PGRPs)家族能够激活PPO[23]。在果蝇中,PGRP-LE参与到微生物诱导的黑化中[24]。Imd信号通路信号上游的PGRP-LC的过表达导致幼虫和成虫的大量黑化[25]。在果蝇中,目前已鉴定出两个丝氨酸蛋白酶,MP1(Melanization Protease 1)和MP2(Melanization Protease 2),在黑化级联反应的激活中起作用[26]。MP1或MP2的过表达都能诱导组成性的黑化和半致死,而MP1或MP2的敲除减少了微生物感染后PPO的激活和黑化反应[26]。现有的研究表明果蝇中有三个serpin参与调控黑化反应。Spn27A是第一个鉴定出来的调控PPO激活和血淋巴黑化的serpin。Spn27A功能丧失的突变导致果蝇的黑化和半致死,Spn27A的过表达抑制了微生物诱导的PPO的激活[21]。Spn28D可能通过清除PPO,抑制微生物感染诱导的黑化和表皮着色,起到阻止PPO过早激活的作用[21]。Spn77Ba是果蝇呼吸系统气管中的一个黑化调控因子[13]。
5 昆虫酚氧化酶的功能
酚氧化酶属于3型含铜蛋白,该蛋白家族在动物、植物和相当数目的微生物中都有发现并行使着多种多样的生物学功能[18,22]。酚氧化酶是黑色素合成中最重要的酶之一,外源病原物的杀死、血液凝集、抗菌肽表达、伤口愈合和粪便黑化等多种功能都与酚氧化酶及其参与的黑化反应有着密切的关系[12,21,22]。
在昆虫的天然免疫系统中,Toll和Imd两条信号转导通路控制着抗菌肽及其他免疫相关效应分子的表达[27]。然而,面对病原微生物的入侵,两条信号转导通路往往需要数小时到数天的时间来诱导其控制的效应分子的表达。相反地,黑化反应在感染发生后几分钟内就可以起作用,其产生的黑色素及中间产物活性氧对病原物有着直接的毒性,将病原物在黑色素囊中隔离可以阻止它在宿主的扩散[21]。正是由于其在体内的快速激活,昆虫PPO也是伤口愈合中的重要蛋白。黑化反应中产生的黑色素在伤口的沉积有助于伤口愈合。因此,酚氧化酶在无脊椎动物,特别是节肢动物中是免疫防御的一个重要组成部分[21]。
在果蝇中,MP2 RNAi以后,PPO1和PPO2均不能被剪切,但通过感染革兰氏阳性菌、阴性菌以及病原真菌,发现MP2 RNAi的果蝇中并不比野生型的果蝇敏感。在其他一些节肢动物中发现,黑化对于抵抗细菌侵染的重要性在物种间有很大的差异。在冈比亚按蚊中,通过RNAi敲除PPO激活所必须的CLIPA8后,发现RNAi的蚊子在大肠杆菌(Escherichia coli)和金黄色葡萄球菌(Staphyloccocus aureus)感染后的表现与野生型类似。这个发现说明黑化反应对于蚊子抗击细菌感染并不重要[28]。然而黑化反应对于烟草天蛾的免疫系统可能比较重要,比如,烟草天蛾的病原菌发光杆菌(Photorhabdus luminescens)的毒性依赖于一个可以抑制PO活性的化合物羟基芪(hydroxystilbene),缺乏这个化合物的细菌没有毒性[29]。而且,通过RNAi抑制宿主PPO的表达后显著地提高了烟草天蛾对于发光杆菌的敏感度[29]。酚氧化酶参与的黑化对于宿主抵御天敌黄蜂可能也有着非常重要的意义。在果蝇中,破坏黑化反应的突变对于体内寄生虫黄蜂(Leptopilina boulardi)有着显著降低的免疫能力[30]。
除了抵御微生物和寄生虫侵染等功能外,昆虫PPO还参与昆虫粪便的黑化。邵奇妙等人的研究表明,家蚕后肠表皮细胞能够产生PPO并释放到后肠内容物中,后肠PPO是植食性昆虫食绿叶但分泌黑色粪便的原因。当PO活性被PTU(phenylthiourea)所抑制,昆虫会分泌绿色的粪便,且这些绿色粪便所含细菌的量,要远远多于黑色粪便。因此,昆虫利用后肠PPO所参与的黑化反应,清除粪便中所携带的潜在病原物,从而保证食物免受病原物的污染[12]。
6 展望
作为昆虫一种重要的先天性免疫防御机制,黑化反应的研究引起了广泛的关注,而酚氧化酶作为黑化反应中的关键酶,一直是研究昆虫先天性免疫的热点。借助于遗传学手段和烟草天蛾等的体外生化实验,对于昆虫酚氧化酶的研究也越来越深入,但是对于其具体的激活和调控机制,还有待于进一步的研究。近期烟草天蛾PPO异二聚体晶体结构的解析完成,也为其功能研究提供了更多的参考依据。
类型3含铜蛋白在结构和功能上有很多相似性,且在自然界广泛分布并行使着重要功能,由于昆虫生长周期短,昆虫PPO的研究将是研究这一类蛋白家族很好的模型。
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[责任编辑 朱毅然]
Advances on the Research of Insect Phenoloxidase
LIU Fei
(1.College of Life Science,Shaanxi Normal University,Xi’an 710062,China;2.Department of Biological Science and Technology,Shaanxi Xueqian Normal University,Xi’an 710061,China)
Phenoloxidase(PO),belongs to a group of type-3-copper-containing proteins,which distributes in the nature widely and possesses a variety of important functions.PO is one of the most important enzyme in the synthesis of melanin.Pathogen killing,blood coagulation,antimicrobial peptide expression,wound healing and feces melanization in insects are all closely related with the PO.PO exists in insects as an inactive form called prophenoloxidase(PPO).In this paper,we mainly reviewed the recent advances on the research of the source,detection,structure,activation,and function of insect PO,in order to provide some new ideas for further exploring of the possible application of phenoloxidase in agricultural pest control.
phenoloxidase;source;detection;structure;activation;function
Q55
A
2095-770X(2015)06-0120-05
2015-04-15;
2015-06-12
中国博士后第56批面上资助项目(2014M562369),陕西学前师范学院引进人才科研启动基金项目(2014DS008),陕西学前师范学院校级科研基金项目(2015YBKJ024)
刘菲,女,陕西西安人,陕西学前师范学院讲师,理学博士,主要研究方向:昆虫免疫学。