家蚕模式生物研究进展

郑静铭，朱欣悦，邵勇奇

（浙江大学 动物科学学院，浙江 杭州 310058）

由于生物进化的保守性以及生物界中遗传密码的通用性，生命发育的基本模式呈现很大程度上的同一性，为利用进化程度相对较低的物种研究进化程度相对较高的物种的规律提供了可能，这些相对简单且受到广泛研究的生物统称为模式生物（model organism）［1］。常见的模式生物包括拟南芥（Arabidopsis thaliana）、线虫（Caenorhabditis elegans）、果蝇（Drosophila）、斑马鱼（Danio rerio）、小鼠（Mus musculus）等。

家蚕（Bombyx mori）属昆虫纲鳞翅目蚕蛾科，是重要的经济昆虫之一。家蚕不仅是丝绸原料的主要来源，作为模式生物也有其特点及优势，近年来被广泛应用于抗菌药物筛选、人类疾病模型、毒理学与环境监测、表观遗传学等领域的科学研究（图1）。

图1 家蚕作为模式生物的应用Fig. 1 Application of silkworm as a model organism

1 家蚕的特点及其作为模式生物的优势

家蚕在生物特性上具有诸多优势，在模式生物的筛选过程中备受青睐。家蚕生命周期短，繁殖能力强，专食桑叶，饲养成本低；幼虫期长，4～5龄期幼虫大小适中，可进行口服和静脉注射，便于完成给药、建模、活体观察、解剖等操作，实现较好的结果呈现。家蚕有28 对染色体，遗传性状丰富，遗传背景相对简单，其情感模块不强，性情温和，无社会性，动物伦理限制性小。

2010年，Xiang等［2］绘制了世界上第一张具有单碱基分辨率的昆虫甲基化图谱——家蚕丝腺甲基化图谱，为昆虫表观遗传学的研究提供了重要资料。2022年10月，Tong 等［3］完成家蚕大规模种质资源基因组解析，首次绘就家蚕超级泛基因组图谱，助力深化功能基因组研究和推进家蚕模式化进程。随着家蚕基因组计划的完成，基因组数据库和蛋白质数据库的逐步建立和不断完善，人们对于家蚕生物学的了解愈发深入，越来越多的学者选择以家蚕为模式系统进行各种研究。

2 家蚕作为模式生物的研究领域

2.1 病原微生物感染模型及抗菌药物筛选

动物感染实验是阐明传染病中宿主-病原体相互作用的必要条件，除了常见的哺乳动物外，近年来部分无脊椎动物也被用作感染性疾病的模型构建，如果蝇［4］、线虫［5］等。Arvanitis 等［6］认为，无脊椎动物和哺乳动物在先天性免疫应答的部分领域中存在进化保守性，利用这些简单的无脊椎寄主进行实验是一种快速有效的筛选方法。

家蚕对部分人类病原微生物高度敏感，可用于构建病原微生物感染模型以实现大规模体内筛选，确定病原体毒力因子以及抑制病原体毒力的宿主因子。2002年，Kaito等［7］将金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）注入五龄蚕血淋巴中，90%以上的蚕在2天内死亡，免疫染色分析显示金黄色葡萄球菌在病蚕的中肠表面增殖。后续药物治疗的结果表明，家蚕可以替代哺乳动物进行细菌性致病实验，用于评估抗生素对人类致病菌感染的影响。除了病原细菌外，部分人类病原真菌也能感染家蚕［8］。目前已经建立白念珠菌（Candida albicans）［9］、新型隐球菌（Cryptococcus neoformans）［10］等酵母型真菌感染家蚕模型，以及烟曲霉菌（Aspergillus fumigatus）［11］、犬小孢子菌（Microsporum canis）［12］等丝状真菌感染家蚕模型。

2.2 人类遗传疾病模型及药物筛选

家蚕遗传资源丰富，存在大量突变。由于家蚕基因与人类部分遗传疾病基因高度同源，某些家蚕疾病与人类遗传病病理相同或相似，故可以通过多种方式建立家蚕的人类疾病模型。

Tanaka 等［13］利用家蚕与人类相似的嘌呤代谢，施用痛风药物以清除沉积在家蚕体表的尿酸，通过家蚕皮肤颜色的变化来评估药物疗效。苯丙酮尿症（Phenylketonuria，PKU）是由苯丙氨酸羟化酶基因（PAH）突变或四氢生物蝶呤（Tetrahydrobipterin，BH4）合成途径缺陷引起的先天性代谢疾病，Tong等［14］通过定位克隆发现铝蚕的发病机制与人类苯丙酮尿症类似，两者在药物代谢特征以及生物合成相关基因通路方面具有高度相似性，由此论证铝蚕突变体作为BH4缺乏型PKU 动物模型的可行性。Matsumoto 等［15］通过饲喂高糖人工饲料的方式获得高血糖家蚕，借助此模型筛选出了一株能抑制肠道摄取葡萄糖的粪肠球菌Enterococcus faecalisYM0831，且在人体临床试验中同样取得良好的抑制血糖升高效果。Zhu 等［16］通过添食6-羟基多巴胺（6-OHDA）诱导家蚕出现帕金森样症状，进行了帕金森病家蚕模型的蛋白质组学和靶向代谢组学研究，帮助理解该病的分子和细胞机制。

家蚕的各种突变体系为人类遗传疾病的研究提供了良好的基础，相关病理机制的研究正在持续推进中。

2.3 毒理学与环境监测

在环境与材料领域，利用家蚕对环境因子的高敏感性，可以进行重金属、农药、大气颗粒物、纳米材料等各种对环境产生负面影响的有毒物质的监测和研究，通过观察家蚕的存活率、生长状况、行为表现、基因表达谱等来分析毒物的毒性和机制。Abdelli 等［17］认为，家蚕饲养成本低、伦理限制性小、易于注射，是极具潜力的毒理学研究模型。

作为研究减少农药对无脊椎动物如有益昆虫的不良影响的动物模型，家蚕在促进农业发展中具有重要意义。Phugare 等［18］以家蚕为模式生物，研究了肺炎克雷伯菌株（Klebsiella pneumoniae strain，BCH1）对新烟碱农药吡虫啉的降解作用，发现在30℃静态条件下，7 d 内吡虫啉降解率高达78%。Chen 等［19］发现，当蚕幼虫与窄养单胞菌（Stenotrophomonas）单关联时其肠道中必需氨基酸水平较高，此种关键的营养供应对于宿主抵抗有机磷杀虫剂的毒性有益，该成果亦为研究复杂环境系统中宿主-肠道细菌的互作提供了范式。

随着纳米材料的大量应用，纳米颗粒（Nanoparticles，NPs）将不可避免地进入到环境中，从而通过多种暴露途径对人类健康产生潜在风险，不同层面的纳米材料-生物相互作用始终是人们关心的内容。Ma 等［20］以家蚕为模式生物，探究暴露在不同质量浓度的氧化镁纳米颗粒环境下对家蚕的亚慢性毒性影响，证明了氧化镁纳米颗粒主要的渗透机制为主动转运，其能被细胞吸附。Muhammad等［21］发现在氧化铜和氧化锌纳米颗粒的添食暴露下，家蚕的体质量、存活率、产茧量均呈现下降趋势，家蚕的营养代谢受损、肠道菌群失调，为评估环境中的NPs 引起的生物学效应提供了重要参考。

在全球生物圈中，微塑料（MPs）同样无处不在，然而有关其潜在暴露危害的实验数据还严重缺乏，亟需填补，以便更好地了解微塑料对包括人在内的生物的影响［22］。Muhammad 等［23］利用家蚕评估急性暴露于聚苯乙烯微塑料和纳米塑料后生物体在生理、分子和生化水平上的变化，深化了不同粒径大小的微塑料对生物体的潜在毒理学效应的研究。

2.4 病虫害防治

在诸多新兴的生物农药中，昆虫病毒杀虫剂以其专一性、长效性、安全性等特点颇受青睐，在农业中的应用比例不断上升。家蚕病毒感染模型，尤其是核型多角体病毒（Bombyx morinuclear polyhedrosis virus，BmNPV）感染模型在病虫害防治中日益受到关注，如筛选出溶解在丙酮中的氟虫脲作为防治农业害虫的辅助物［24］。Cheng等［25］定位并鉴定了12个参与BmNPV感染的蛋白质靶点，分析其在病毒感染中的潜在作用，为研究家蚕与BmNPV相互作用的分子机制提供了新的方向。GP64是介导BmNPV感染的关键膜融合蛋白，Hao 等［26］进一步阐明其保留信号肽的作用机制，实验发现破坏信号肽中的α 螺旋（α-helix）结构可以使GP64失去细胞膜定位的能力，进而降低病毒感染性。

2.5 表观遗传学

DNA甲基化是最早被发现、研究最深入的表观遗传调控机制之一，通过影响基因组防御、基因调控等方式在多种生物过程中发挥重要作用。相对于动植物，昆虫甲基化水平较低，其功能也始终存在争议。

DNA 甲基化在昆虫器官或组织发育过程中的作用和调控机制尚不清楚，Xu等［27］通过抑制转录因子Bmara介导的几丁质酶表达来抑制家蚕几丁质降解、促进翅膀发育，证明DNA 甲基化在家蚕翅膀发育中起着重要作用，填补该领域的部分空白。基于泛基因组系统分析，Lu等［28］揭示了家蚕形成绿茧及茧色演化的遗传机制，提出了茧色多样化的形成机制和从野桑蚕到家蚕的茧色演化模式，揭示了人工选择对表型性状演化的重要作用。

3 小结

家蚕已被作为动物模型应用于生命科学研究的多个领域，已成为一种重要的模式生物，极大地促进了相关领域的科学发展。然而，家蚕模型在很多领域的应用尚处于起步阶段，需要进行更多的动物实验、临床试验以获得丰富的数据，特别是在人类遗传疾病领域。家蚕虽然不能完全取代哺乳动物，但起着非常重要的补充作用，家蚕作为模式生物前景光明。