昆虫抗冻蛋白研究进展—蔡朝辉

抗冻蛋白在昆虫抗冻生理中的作用
黄粉虫抗冻 蛋白冻蛋白的结 构具有平行右手 方向的β螺旋。 （Liou，2000）
Mimicry of ice structure by surface hydroxyls and water of a β-helix antifreeze protein
抗冻蛋白在昆虫抗冻生理中的作用
昆虫抗冻蛋白的研究进展
课程：昆虫生理生化 学号：2014301110210
报告人：蔡朝辉
Contents
• 前言 • 抗冻蛋白在昆虫抗冻生理中的作用 • 抗Biblioteka 蛋白在提升昆虫耐寒性中的应用 • 展望
前言
在鱼类、昆虫及植物中均发现有抗冻蛋白（antifreeze proteins，AFPs）存在，鱼类AFP包括含糖基的AFPs和不含 糖基的AFP Ⅰ-Ⅳ,就目前的研究结果看来,其抗冻活性没有昆 虫的高。作 为对 环境 低 温 的 一 种 适 应 策 略 ， 昆虫 在 体液 、肠 液 和 细 胞 内 液 中 产 生 抗 冻 蛋 白（Horwath， 1996）抗 冻 蛋 白 是 一类 抑 制 冰晶生 成 的蛋 白质 ， 以非 依数性形式降低水溶液的冰 点 ，却不显著改变其熔点（Celik， 2010）。
一种普遍认同的在越冬前sunn pest中高表达的抗冻蛋 白基因，作者认为这种抗冻蛋白可能是sunn pest在越 冬滞育期存活的关键物质。
加拿大拟步甲虫的两种抗冻蛋白在黑腹果蝇中的表达。 作者检测了由这两种抗冻蛋白基因组合出的不用基因型 的转基因果蝇耐寒性。
准噶尔小胸鳖甲的抗冻蛋白在烟草中表达提高了烟草抗寒性。
抗冻蛋白在昆虫抗冻生理中的作用
1.抗冻蛋白空间结构 昆虫抗冻蛋白在空间结构方 面不同于植物抗冻蛋白和鱼类 抗冻蛋白 ，其热滞活性远远高 于这两种蛋白 。 昆虫抗冻 蛋 白结 构最典型的是云山卷叶蛾 抗冻蛋白 、 黄粉甲抗冻蛋白和 赤翅甲抗冻蛋白 。 云山卷叶蛾 的抗冻蛋白为左手 β螺旋型 ， 每圈由 15～ 17 个氨基酸残基 组成（Duman，2001） ，这种 抗冻蛋白具有“T x T ”模型 ， 这个模型中的结构与冰晶晶格的棱形结构相符 ，符合“吸附 抑制 ”学说 （Stefen，2000）。
2.抗冻蛋白在昆虫中的作用
越冬昆虫有两大类 , 一是体内不结冰的 , 二是只限于细胞外 结冰的 , 前者称为免冻性昆虫 (freeze-avoidance insects) , 后者 则称为耐冻性昆虫 (freeze-tolerance insects) , 这两类昆虫的抗 冻机制均涉及 AFPs 。
抗冻蛋白在提升生物耐寒性中的应用
抗冻蛋白在提升昆虫耐寒性中的应用
在这个研究中，作者将肩突硬蜱的抗冻蛋白基因转到果蝇 中表达，抗冻蛋白的存在提高了果蝇在低温下的存活率。抗冻 蛋白在雌性和雄性成虫的表达后，低温条件下存活率大于对照 组，抗冻蛋白在卵中表达后，低温条件下提高了孵化率。 TUNEL实验显示抗冻蛋白在雌性成虫飞行肌肉中表达，低温下 受到飞行肌肉细胞凋亡伤害相对于对照组要少。总的来说，这 些数据表明抗冻蛋白的表达提高耐寒能力是通过减少细胞凋亡 来实现的，该研究揭示了抗冻蛋白作为果蝇抗冻剂的分子水平 机理。
抗冻蛋白在昆虫抗冻生理中的作用
2.1 AFPs 在免冻性昆虫中的作用 降低过冷点可能是昆虫防冻作用的原因 , 降低过冷点可能通 过以下三种方式达到 : 1) 积累依数性的抗冻剂 , 如多元醇 , 利用 1. 8 ～ 5. 4 mol/ L 多元醇 , 可增加过冷点 10 ℃ ; 2) 在激素控制 下完全去除脂蛋白 冰核剂可使过冷点降至 - 20 ～ -40 ℃, 但完全 去除冰核剂并不容易实现 。; 3) 掩饰冰核剂, 过冷和 AFPs 代谢有 时间上的对应性 , 例如昆虫 Meracantha contracta , 在二月份当 地气温最低时 , 体液过冷点最低 , AFPs 积累量 也最大 ; 随着气温 回升 , 过 冷点也增 高 , AFPs 积累减 少（Patterson，1978）。
前言
由抗冻蛋白导致的冰点和熔点之间的差值被称为热滞温 度或热滞活性 ， 因此抗冻蛋白也被称作热滞蛋白 (thermal hysteresis protein s ， THPs) ， 同时抗冻蛋白可以抑制重结 晶过程并直接影响冰晶的形成过程（Knigh，1986）。 Duman 等人对阿拉斯加北部地区的 75 种昆虫和 6种 蜘蛛进 行研究 ， 发现其中 30 多种昆虫和 3 种蜘蛛中含有抗冻 蛋 白 。目前主要研究的昆虫 AFPs 包括蛾类和甲虫 ，如云杉卷 叶蛾 、赤翅甲 、黄粉虫 、准噶尔小胸鳖甲 、 洛氏脊漠甲 、 光滑鳖甲等 。
抗冻蛋白在昆虫抗冻生理中的作用
2.2 AFPs 在耐冻性昆虫中的作用
低温冷冻速率是冻伤产生的关键因素(华泽钊,1993),AFPs 和冰核剂适当的结合 , 控制过冷水平和冰晶的生长速度 , 从而 最大限度减少低温损伤 。AFPs 还抑制冰晶的重晶化 , 在耐冻 昆虫中 , AFPs 的功能可能就在于重晶化的抑制作用 。 由于重 晶化的抑制作用 比冰晶生长的抑制作用 更容易达到 , 即只需 少量 AFPs (20μg/ m L) , 就有较高的重晶化抑制活性 (Duman,1993) 。
展望
近年来, 抗冻蛋白的研究取得了很大的进展, 大量实验结 果已经证实昆虫抗冻蛋白的抗冻活性普遍高于鱼类和植物,因 此昆虫抗冻蛋白的研究和应用也引起了人们的广泛重视，抗 冻蛋白在农业、食品工业、医学、基因工程方面的应用越来 越多。但目前, 昆虫抗冻蛋白的结构与功能、抗冻机理需要 进一步研究。当然, 随着这些问题的不断解决, 昆虫抗冻蛋白 的开发和应用会有更加广阔的前景。