活性氧、FoxO和能量代谢调节昆虫滞育的机制

Most insect species have evolved a period of developmental arrest (diapause) that enables them to circumvent seasonal periods of adversity. The cotton bollworm, Helicoverpa armigera is an agriculturally important noctuid moth, and the mechanical study on diapause at molecular level could find new targets of pesticide. Pervious studies have demonstrated that reactive oxygen species (ROS) and FoxO are key factors; ROS promote diapause through a distinct insulin signaling pathway, suggesting that sugar metabolism is last step to control of insect diapause. FoxO is a determinant to induce diapause, but its mechanism for regulating diapause remains unknown. We focus on molecular mechanisms of ROS production, FoxO function, and energy metabolism, elucidating why low metabolic activity causes insect diapause. In this way, up-stream hormonal signaling is perfectly linked to down-stream metabolism to explain mechanism of diapause, and clearly understand some unique ability for acclimatizing environment and the diversity for survival, and establish a solid groundwork for preventing pest.

昆虫为了应对恶劣的环境，在进化的过程中获得了有利生存的适应性机制--滞育，滞育个体的低代谢和强抗逆性帮助昆虫度过恶劣环境而生存下来。棉铃虫是重要的农业害虫，对棉铃虫滞育的分子机制研究可以为寻找防治害虫的新药物靶点打下基础。前期的工作已经证明活性氧(ROS)通过调节一个独特的胰岛素信号路径诱导棉铃虫滞育，显示出糖代谢的调节是滞育的最后一步； FoxO是滞育进入的决定子，阐明FoxO的作用机制是回答滞育进入的关键。本研究围绕滞育个体的脑ROS产生的分子机制、FoxO的作用机制、能量代谢的分子调控，试图回答为何滞育个体低代谢的核心科学问题。如此，就把上游激素到下游代谢活性有机串联起来，比较系统地阐明滞育的分子机制，丰富人们理解昆虫的独特适应环境能力，为今后发现重要靶标基因、防治害虫奠定基础。

昆虫滞育个体的最大特征之一是低代谢活性，本研究围绕滞育个体的脑ROS产生的分子机制、FoxO的作用机制、能量代谢的分子调控，试图回答为何滞育个体低代谢的核心科学问题。取得的主要结果如下：1)滞育个体下调表达的线粒体转录因子(TFAM)导致COXIV的表达下调，引发线粒体功能紊乱，产生过量的ROS。同时低表达的去乙酰化酶Sirt2导致乙酰化的G6PD活性低，降低了NADPH水平，最终影响了ROS的降解，积蓄在体内。此外，证实了昆虫滞育个体内存在一个ROS/Akt/CREB 路径调节ROS维持在生理水平的反馈机制；2) 发现了一条激活FoxO的信号转导新通路ROS/JNK/CREB /PRMT1；首次揭示了ROS通过FoxO诱导滞育、延长生命的新路径, 即ROS/FoxO /Ubc和UPS/ TGFβ受体1/低代谢活性；3) 发现了高水平的Akt可以通过提高Glut表达来吸收体液中低水平的葡萄糖进入棉铃虫蛹脑，维持长期的滞育状态；揭示了感受营养的TOR信号路径中的S6K活化CREB，然后上调HIF表达来调节昆虫滞育；4)丙酮酸合成的三个酶丙酮酸激酶（PK）、磷酸甘油酸变位酶（PGAM）和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）存在乙酰化修饰，修饰后的PK、PGAM和PEPCK 活性更低。我们证明了Sirt2在滞育蛹脑低表达，使得PK、PGAM和PEPCK维持高的乙酰化水平，酶活性降低，从而诱导昆虫低的糖代谢活性，进入滞育状态；5) 构建了6个cDNA文库进行小分子RNA深度测序，共获得miRNA 有1669条，其中109条被推定为新型的、具有发卡结构的miRNA分子。发现了miR-34可以直接靶向作用Acetyl-coA合成酶（ACS）和丙酮酸激酶（PK）的mRNA，通过ROS/HIF/miR-34通路可以负向调控TCA活性，引发昆虫进入滞育。以上工作系统地阐明了棉铃虫滞育的低代谢分子机制，发现了一些控制发育的关键基因，丰富了人们理解昆虫的独特适应环境能力，为今后发现重要靶标基因、防治害虫奠定基础。在国际知名的SCI刊物发表论文10篇，培养了博硕士研究生8名。