昆蟲氣味結合蛋白特性與功能研究范文

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《蜜蜂雜志》2018年第1期

摘要：昆蟲氣味結合蛋白是參與昆蟲氣味應答過程的一種重要嗅覺蛋白。迄今，國內外學者對該蛋白的研究已較為詳盡。本文概述了其理化及表達特性、生理功能方面的研究進展，并對該蛋白的研究方向進行了展望。

關鍵詞：氣味結合蛋白；結構；特性；表達；功能

昆蟲氣味結合蛋白大多存在于其體內化學感受器的淋巴液中，對于昆蟲相關生命活動起著不可替代的作用。20世紀80年代，生物學家Pelosi等[1]發現了昆蟲氣味分子結合蛋白（OdorantBindingProteins，OBPs），由此開辟了昆蟲學研究的一個重要方向。

1昆蟲氣味結合蛋白的基本理化特性

1.1物理特性

昆蟲氣味結合蛋白的一級結構特征，已有較多報道。該蛋白為一種球狀水溶性小分子蛋白，分子量在幾萬道爾頓左右，如核桃舉肢蛾（Atrijuglanshetaohei）AhetPBP2的分子量為19.26kD[2]。昆蟲氣味結合蛋白多肽鏈全長一般為120～180個氨基酸，如蘋果蠹蛾（Cydiapomonella）CpomPBP2編碼169個氨基酸[3]。此外，昆蟲氣味結合蛋白的高級結構特性，也被逐一發現。一般情況下，OBPs具6個保守半胱氨酸殘基和類似的次級結構[4]。譬如，華北大黑腮金龜（Holotrichiaoblita）HoblOBP2具有由6個α螺旋區域構成的三維結構，其包含的6個保守的半胱氨酸形成了3對二硫鍵[5]；而二化螟（Chilosuppressalis）CsupOBP1和松墨天牛（Monochamusalternatus）MaltOBP6只含有4個保守的半胱氨酸位點[6，7]。另OBPs氮末端有一段信號肽（信號肽通常由20個左右氨基酸構成），如組成苜蓿盲蝽（Adelphocorislineolatus）AlinOBP1和綠盲蝽（Apolyguslucorum）AlucOBP7氮末端疏水區的信號肽的氨基酸個數均為18[8，9]。也有特殊案例，小菜蛾（Plutellaxylostella）PxylOBP13氮端就不存在信號肽序列[10]。氣味結合蛋白三維結構的預測，主要是通過同源模建法，該方法表明，三維結構下，昆蟲氣味結合蛋白由6個α-螺旋構成，且其中的5個α-螺旋構成錐形的疏水口袋結構。目前，該方法已成功運用于薔薇科斜條卷葉蛾（Choristoneurarosaceana）、紫色卷蛾（Choristoneuramurinana）、棉紅鈴蟲（Pectinophoragossypiella）、煙夜蛾（Heliothisassulta）、甜菜夜蛾（Spodopteraexigua）、云南切梢小蠹（Tomicusyunnanensis）的氣味結合蛋白三維結構預測中。據報道，以上5種昆蟲的氣味結合蛋白的6個保守的半胱氨酸形成的3個二硫鍵能起到穩定三維結構的作用[11～16]。

1.2化學特性

一般認為，昆蟲氣味結合蛋白是一種酸性蛋白，等電點大多偏酸性（表1），如煙實夜蛾（Helicoverpaassulta）信息素結合蛋白HassPBP3和東亞飛蝗（Locustamigratoria）LmigOBP1的等電點分別為5.44和4.99[17,18]。然而，也有一些昆蟲氣味結合蛋白的等電點大于7，為堿性蛋白，如中華蜜蜂（Apiscerana）AcerOBP10和大草蛉（Chrysopapallens）CpalOBP1的等電點分別為7.86、8.17。

2昆蟲氣味結合蛋白的表達特性

2.1表達部位

昆蟲氣味結合蛋白廣泛分布于昆蟲的頭、胸、腹、足、體壁、味覺感器及脂肪體中，且分布于各部位的感覺樹突周圍的淋巴液中。昆蟲的觸角位于頭部，是昆蟲氣味結合蛋白表達的最重要部位，其濃度高達10mmol/L[37]，如綠盲蝽（Apolyguslucorum）AlucOBP8表達的主要部位是雌雄成蟲的觸角[29]。除觸角外，昆蟲氣味結合蛋白還分布于頭部的附屬器官（下顎須、下唇須等），以及昆蟲的翅、足、性腺。例如，金邊胡蜂（Vespacrabra）和胡蜂（Polistesdominulus）的OBPs在觸角、足和翅中均有表達[38]。然而，有的昆蟲觸角并沒有OBPs，如蜜蜂（Apissp.）OBP3分布于除觸角以外的其他各個身體部位[39]。此外，昆蟲的唾液也會有OBPs，如致倦庫蚊（Culexpipiens）唾液中被檢測到OBPs[40]。

2.2昆蟲氣味結合蛋白表達量的情況

①不同器官中的表達量同種昆蟲氣味結合蛋白在不同器官中的表達量存在較大差距。例如，麗蠅蛹集金小蜂（Nasoniavitripennis）NvitOBP在雌雄蟲觸角中表達量明顯高于頭部和足中，而其在胸、腹中的表達量為零[34]；綠盲蝽（Apolyguslucorum）AlucOBP8在雌、雄觸角中表達量分別是雄蟲腹部表達量的380、525倍，且在雌雄成蟲口器、雄蟲翅中少量表達；小菜蛾（Plutellaxylostella）PxylOBP2在足中的表達量高于其他組織[41]。此外，不同昆蟲氣味結合蛋白在不同器官中的表達量也存在一定差異，如大豆蚜（Aphisglycines）AglyOBP2、AglyOBP7、AglyOBP9在觸角中的表達量明顯高于在其他組織，而該蟲的AglyOBP3、AglyOBP4、AglyOBP8在頭、胸、足中的表達量顯著高于觸角[30]。

②不同發育階段等生理狀態下的表達量氣味結合蛋白的表達與昆蟲蟲態、成蟲日齡等不同生理狀態有關。如白紋伊蚊（Aedesalbopictus）OBP68在幼蟲、蛹及雌雄成蟲都有表達，而在幼蟲中表達量較低[42]。成蟲期家蠶（Bombyxmori）GOBP1、GOBP2觸角的表達量大于蛹期觸角[43]；幼蟲和蛹期的蜜蜂（Apissp.）OBP13表達量大于其他蟲態[39]；隨著雌性大螟（Sesamiainferens）成蟲日齡的增加，其2個普通氣味結合蛋白SinfGOBP1和SinfGOBP2表達量上升[26]；麥長管蚜（Sitobionavenae）OBP3在若蟲的4齡期出現表達量高峰[44]。在其他不同的生理狀態下，表達量也會不同。如小菜蛾（Plutellaxylostella）PxylOBP2在未交配雄性成蟲中的表達量明顯高于已交配雄蟲[41]；未食血的白紋伊蚊（Aedesalbopictus）雌蚊頭部AealOBP46表達量明顯低于飽血后的雌蚊[45]。昆蟲發育的生物型也影響氣味結合蛋白表達，如與無翅成蟲大豆蚜（Aphisglycines）的AglyOBP2、AglyOBP3、AglyOBP4、AglyOBP8、AglyOBP9表達量相比，有翅成蚜表達量均呈增加趨勢[30]。

③不同性別中的表達量信息素結合蛋白（PBP）或普通氣味結合蛋白（GOBP）在雌雄個體表達量方面的情況，已出現較多報道。一般情況下，雄性個體的PBP表達較多，而雌性個體的較少[46]。周耀振等[47]研究發現雄性甜菜夜蛾（Spodopteraexigua）的信息素結合蛋白基因SexiPBP1表達量高于雌性。家蠶（Bombyxmori）成蟲PBP只特異性地在雌性個體觸角中表達，而在雄性個體相應部位中未見表達[48]。小菜蛾（Plutellaxylostella）PxylOBP31主要在雄蛾中表達，在雄蛾觸角中的表達量比雌蛾觸角中高近2倍[49]。有些昆蟲的氣味結合蛋白只在昆蟲錐形感受器上表達，性別對氣味結合蛋白的表達量沒有明顯影響，金俊彥等[26]報道，雌性大螟（Sesamiainferens）的2個GOBP表達量與雄性的均無顯著差異。

3昆蟲氣味結合蛋白的生理功能

早期研究者們已驗證了OBPs確實在昆蟲嗅覺反應過程中發揮了作用。嗅覺神經元周圍淋巴液中的氣味結合蛋白在推動氣味分子與氣味受體的結合及嗅覺反應的靈敏度方面起著重要的作用[50]。Steinbretcht等[51]認為氣味結合蛋白發揮的主要生理功能是識別氣味分子及信號轉導。目前研究者們提出的有關OBPs的生理功能大致概括為以下幾個方面。

3.1對特異氣味分子的識別和結合

昆蟲嗅覺感受器是一個存有大量感器淋巴液的腔，雙向感覺神經元上有十分發達的樹突，分布于淋巴液中。微孔分布于嗅覺感器表皮上，是允許氣味分子通過感器的狹小“走廊”。當氣味分子通過微孔后，主動與淋巴液中的OBPs結合，進而發生嗅覺反應[52]。OBPs這類蛋白可能起到捕獲或激活氣味分子的作用[45]。在氣味識別中能特異性結合一定類別氣味分子，起外周濾器作用[51]。如麥長管蚜（Sitobionavenae）氣味結合蛋白多傾向于識別與結合主碳鏈原子數不超過8的小分子揮發性氣味分子[44]。信息素結合蛋白就是特異性地結合昆蟲性外激素；普通氣味結合蛋白GOBP能結合外界不同來源的氣味分子，包括一些植物自身散發出的揮發物，如茶尺蠖（Ectropisobliqua）EoblGOBP2與茶樹葉片的7種揮發物都具有很強的結合能力[53]。昆蟲GOBP2也能結合一些信息素分子[54]。如豌豆蚜（Acyrthosiphumpisum）ApisOBP3是第一個被鑒定的能特異結合E-β-法尼烯（E-β-farnesene，EBF）的昆蟲氣味結合蛋白[55]。小菜蛾（Plutellaxylostella）PxylOBP31與醛、酮、萜品油烯以及鄰苯二甲酸二異丁酯等物質的結合能力較強，與3種性信息素及其他烯烴與酯類結合能力弱[49]。

3.2結合、運載特定氣味分子

進入淋巴液中的疏水性的氣味分子要通過一種載體運輸到嗅覺神經元上的氣味受體ORs上，而OBPs就是通過與特定脂溶性氣味分子的結合，形成水溶性的復合物穿過感器淋巴液后到達ORs，通過這種方式高效運輸。空氣中的疏水小分子是陸生動物的主要氣味源，到達動物的嗅覺受體需要穿過親水性介質，如脊椎動物的黏液、昆蟲的感受器淋巴液[56]，氣味結合蛋白OBPs是在昆蟲觸角內高濃度存在的一種酸性蛋白，能夠和進入觸角的脂溶性氣味物質結合并轉運到感受神經元的受體部位，是昆蟲嗅覺發揮功能的第一步[26，50]。

3.3使完成刺激的氣味分子迅速失活

基于外界氣味分子變化不定，尤其體現在濃度方面，因而需要快速使受體上相應的氣味分子失活，從而讓昆蟲能敏感感知不同的氣味分子。關于這種失活機理，多種模型已被提出。一種模型認為是由于氣味降解酶發揮的降解作用導致，即氣味分子的失活最終在酶解時期完成。如有研究者認為性信息結合蛋白PBP與醛類性信息素P-AL結合后，最終失活P-AL的酶是乙醛氧化酶或者谷胱甘肽-S轉移酶[57]。另一模型認為氣味結合蛋白發揮了清除作用。如有學者認為性信息素最開始進入感器內腔時，結合的是還原型的PBP。其二者形成的復合物與氣味受體會進一步形成新的復合物，此復合物能改變還原型的PBP為氧化型的PBP。而正是此種特殊型態的PBP失活了性信息素[58]。

4展望

目前研究昆蟲的氣味結合蛋白的經典方法，主要是從昆蟲觸角中分離與純化。對于觸角很小的昆蟲，研究者們大多運用克隆技術獲得相應的目的基因，再通過原核表達的方法獲得目的蛋白。至今，利用分子生物學實驗技術獲得了大量昆蟲氣味結合蛋白，其中還開展了一些蛋白與十幾種甚至幾十種揮發性分子的結合實驗，補充和完善了一些有價值的資料，為其相關功能機制的進一步揭示提供了數據。對于昆蟲氣味結合蛋白的相關研究也在不同方面逐步深入，如其有關特性功能的進一步挖掘和機制模型的進一步探索在未來可能依舊是熱點。

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作者：楊安1，2，郭玲1，2，蔣杰賢1，張浩1，季香云1 單位：1.上海市農業科學院生態環境保護研究所，2.上海海洋大學水產與生命學院