保幼激素及其生理学作用的研究进展

保幼激素及其生理学作用的研究进展保幼激素（JH）是在昆虫咽侧体内通过甲羟戊酸途径合成的一类倍半萜类化合物，分泌后进入血淋巴，调节昆虫的生长发育、变态及生殖等生理学功能。

本文主要综述了近年来JH的生物合成与代谢以及对昆虫的生理效应，尤其是对卵黄发生的调节方面的研究，以期对保幼激素在昆虫卵黄发生调节过程中有更全面和深入的了解。

昆虫的生长发育及变态主要受脑神经分泌细胞产生的促前胸腺激素（prothoracicotropic hormone, PTTH）、前胸腺分泌的蜕皮激素（Ecdysone, E）和咽侧体分泌的保幼激素（Juvenile hormone, JH）等3种昆虫激素所调节。

PTTH 是能够刺激前胸腺分泌E的激素；JH和E是存在于昆虫等节肢动物中最重要的激素，能直接调节昆虫的生长发育、变态及生殖等生理学功能，其中JH的作用是通过E的作用共同体现出来的[1]。

近年来，随着细胞生物学和分子生物学的发展，在JH的合成与代谢以及对卵黄发生的调节等方面取得了较大的发展。

1 JH的生物合成JH是最重要的一类昆虫激素，Wigglesworth（1934）首次从昆虫头部发现。

并已证明JH是由附着于脑的一对分泌器官——咽侧体（corpora allata, CA）合成并分泌到血液中的一类倍半萜类化合物[2]。

目前已证明有7种天然JH的存在。

它们分别是JH0、JHⅠ、JHⅡ、JHⅢ、4-methyl-JHⅠ、JHⅢ-bisepoxide和Methylfarnesoate，其中起主要生理作用的是JHⅢ[3]。

1.1 JH的合成途径JH是通过甲羟戊酸途径合成的倍半萜类化合物。

其合成途径可以概括为5大步骤：乙酰-COA→甲羟戊酸（mevalonic acid）→异戊烯醇焦磷酸（isopentenyl pyrophosphate, IPP）→法尼焦磷酸（farnesyl pyrophosphate, FPP）→法尼酸（farnesoic acid, FA）→JHⅢ[4]。

JH的合成途径与胆固醇及其衍生物（固醇类物质）的合成途径在FPP合成之前的所有步骤都完全一样。

但是，由于昆虫缺乏鲨烯合成酶和羊毛脂固醇合成酶，FPP合成之后，不能合成固醇類物质，而是沿着一条独特的途径合成JH。

JH的合成途径因昆虫种类的不同而异。

在大多数昆虫中，在S-腺苷甲硫氨酸（SAM）存在的情况下，法尼酸甲基转移酶（FA methyltransferase）转移甲基到法尼酸（FA），生成甲基法尼酯（MF）。

然后，MF由甲基法尼酯环氧酶（MFepoxidase）环氧化生成JH；而在鳞翅目昆虫中，法尼酸可先由法尼酸环氧酶（FA epoxidase）环氧化生成保幼激素酸（JHA），JHA甲基转移酶（JHAMT）再转移甲基到JHA生成JH。

即在鳞翅目昆虫中，先环氧化再进行甲基转移[5]。

1.2 JH的合成场所研究表明，JH是由昆虫头部脑附近的CA合成并释放的。

CA来源于外胚层，内部充满了光面内质网的腺细胞，其合成JH的速率很高，但是合成的JH并不储存于腺体内，而是通过质膜进入腺体胞外间隙，然后释放到血淋巴中，与血淋巴中的JH结合蛋白或是与来自脂肪体的载体蛋白相结合，将JH运送到靶细胞[6]。

1.3 JH合成的调节血淋巴中JH滴度是影响昆虫正常发育的关键因素。

一般认为，血淋巴中JH滴度是由JH的合成及代谢共同维持和调节的，即昆虫脑通过分泌神经肽类物质-促咽侧体素（allatotropin, AT）、抑咽侧体素（allatostatin, AS）[7]来调节CA合成及分泌JH的量，并与血液中的JH酯酶（JHE）和细胞质中的JH环氧水解酶（JHEH）等一同精妙地控制着JH在血液中的浓度。

在CA中，JH的合成能力是影响血淋巴中JH滴度变化的主要因素，JH的合成能力一方面取决于CA合成的活性，其活性受到多个因子的调节：神经肽类如AT、AS及20-羟基蜕皮酮（20-hydroxyecdysone, 20E）（E的活性形式）；另一方面受到JH 合成过程中的酶的mRNA表达水平的调节，主要是HMGR和JHAMT（JH合成过程中的关键酶）[8]。

除此之外，昆虫的营养状况及生殖状况也影响JH的合成。

Caroci[9]对埃及伊蚊进行了研究，营养不良时，埃及伊蚊成虫个体变小，蛋白、脂质和糖原含量明显偏低，小成虫CA合成JH的能力明显下降，喂糖或血后则能促进CA的JH 合成，说明必须在营养储备足够的情况下，CA才能产生足够多的JH。

蟋蟀雌成虫中，卵巢发育程度对CA内JH的生物合成影响显著，摘除卵巢后，CA内JH 生物合成受到持续的抑制[10]。

太平洋折翅蠊的雌虫中，卵黄发生期间的卵巢可以促进CA内JH的合成，而成熟的卵巢则抑制CA的合成活性，说明JH的合成受到生殖状况的影响[11]。

总之，营养水平、生殖发育状态对JH的合成都有影响，但是具体分子作用机制尚待深入研究。

2 JH的作用模式昆虫的蜕皮过程受两种激素的共同调节，一种是类固醇激素20E，另一种是倍半萜类化合物JH。

JH可以直接或通过调节PTTH的释放间接地调节20E的生物合成和分泌，昆虫血淋巴中这两种激素的浓度变化，可诱发昆虫幼虫的蜕皮以及变态的发生，20E启动与调整蜕皮的过程，JH规定每次蜕皮后昆虫的发育方向，即发育为幼虫或产生变态形成蛹和成虫。

2.1 JH与20E相互作用机制在昆虫幼虫时期，CA合成并分泌的JH含量高，与20E一起促使幼虫蜕皮。

高水平的20E和JH，使E75A（JH诱导的转录因子）的RNA在其他早期基因（ECR-B,E74A）转录前出现。

E75A一方面可加速激活JH诱导的基因，另一方面也抑制E75A自身的表达，同时抑制包括BR-C在内的20E诱导的早期基因的表达，说明JH与20E一起促使幼虫向更高龄幼虫的转变[12]。

在末龄幼虫时期，CA分泌JH的量很少，此时，前胸腺照常分泌20E，二者相互作用促使幼虫到蛹的变态过程。

在分子调节机制方面，在20E存在而JH 不存在的情况下，20E可激活一系列早期基因（BR-C,E74,E75）的表达，从而开始幼虫向蛹期的变态过程。

一旦20E激活了BR-C基因的表达，即使JH大量存在时也不会抑制蛹的产生。

蛹羽化时期，CA停止分泌JH，大量20E促使昆虫发育为成虫[12]。

JH不存在，BR-C也无活性，高水平的20E抑制BR-C基因的表达，从而抑制蛹的基因表达，但是减弱了对成虫基因的抑制，从而表达成虫基因，使蛹向成虫转化。

成虫时期，雌虫的CA被重新激活并分泌JH，JH对雌虫的胚胎发育及卵的成熟等过程发挥了非常重要的作用，而关于JH与20E的相互作用目前却了解甚少[12]。

2.2 JH受体JH是通过结合细胞膜上的受体Met及核受体USP引起蛋白激酶C信號通路及Ca2+的信息传递而实现其生物学作用[13]。

USP只在高等昆虫如鳞翅目、直翅目中观察到，然而其同源基因可在甲虫、不完全变态昆虫（如蝗虫、蟑螂）及甲壳纲动物中观察到，并且在配体结合区域与RXR有70%的一致性。

当20E含量高时，USP与配体20E结合，再结合至反应元件上，引起反应元件构象改变，从而诱导20E调节的一系列基因的表达[14]。

Jones and Wozniak 发现USP作为一个同源二聚体与JH结合后，USP的构象发生显著改变，USP 可特异性地与JH反应元件DR12结合。

若USP在配体结合区域发生点突变就不再与JH结合，反而成为抑制JH诱导转录的抑制子，表明了JH诱导转录需结合USP同源二聚体，并且不需要EcR的参与[15]。

遗憾的是，因为USP和JH的结合活性很低，所以不能说明USP是否是JH的受体。

最近有研究显示，甲基法尼酯（MF）与USP的结合能力高于JHⅢ，晶体结构研究还显示在USP的配体结合区域具有一个适合JH和甲基法尼酯结合的位点。

所以至今都无法确凿地证明或者排除USP就是JH受体。

Met是JH受体的一个最佳候选基因，至少可以证明Met在JH的下游以及BR-C的上游发挥作用。

果蝇Met基因编码一个碱性的螺旋-环-螺旋蛋白，这个蛋白中包含了一个bHLH-PAS转录因子，具有典型的DNA结合结构域。

免疫细胞化学研究显示Met定位于早期胚胎、幼虫脂肪体、成虫卵巢和雄性附腺等多种组织的核内[16]。

JH不仅能强烈特异性地结合Met，还能迅速地诱导Met的转录活性，所以说Met是JH受体的最佳候选基因。

3 JH的生理学作用JH在昆虫的幼虫生长、蛹期变态、成虫生殖过程中发挥了非常重要的作用。

对于鳞翅目等大多数昆虫而言，JH可以阻止E起始变态，从而维持幼虫的性状。

因此，JH被称为一种“status quo”（维持原状的）激素。

除此之外，JH可以调节大多数昆虫成虫的生殖，包括雌虫卵巢和雄虫附性腺的发育等。

3.1 JH对幼虫生长与蛹期变态的调节JH在保持幼虫形态、性状作用时，主要是通过与E协同连续地作用来完成的。

以鳞翅目昆虫为例，在JH存在的条件下，E分泌仅能使幼虫蜕皮形成幼虫不能蛹化，而到幼虫终龄期，当JH在血淋巴中的含量逐渐下降至消失，只要有E分泌，就能引起蜕皮化蛹，此时即使给予再多的外源JH也不能使虫体逆转向幼虫蜕皮。

Hiruma等[17]的研究结果表明，幼虫体内含有幼虫及蛹特有的表皮蛋白基因。

幼虫蜕皮中合成的幼虫型表皮蛋白质因E作用而暂时受到抑制，蜕皮后在JH的存在下，幼虫型蛋白质再恢复合成，保持幼虫形态。

而当终龄期决定化蛹时，JH含量减少，由于E的存在，使幼虫型表皮蛋白质完全停止合成，而促进蛹型表皮蛋白质的合成[17]。

因而通过JH 和E的分泌、调节，使得幼虫型和蛹型的基因在不同时期表达，从而决定幼虫蜕皮或是化蛹蜕皮。

在蛹期时，JH的缺乏激发成虫发育。

3.2 JH对成虫生殖的调节JH是成虫生殖腺成熟作用必需的内分泌激素，与幼虫期因保持幼虫形态、性状而与E协同作用不同，在成虫期，JH是独立且直接作用的，其主要是雌性成虫中CA合成的JH调节昆虫的生殖。

而在雄虫的雄性附腺（MAG）中也会合成JH，但是其不起调节作用，而是通过交配把JH转移到雌虫中，刺激雌虫的CA合成并释放JH，从而通过由E及JH参与的一系列内分泌过程促进卵的发育[18]。

R.Parthasarathy等人在红缘天牛中的研究表明，JH缺乏使雄性生殖功能产生一系列不正常，交配能力减弱，精子转运贫乏，同时与JH缺乏的雄性交配后的雌性产卵量降低，后代数量减少[19]。

JH的调节功能包括诸多方面：促进性腺的发育成熟和雌虫脂肪体的合成，调节卵母细胞的成熟及性外激素的释放，提高脂肪体卵黄原蛋白（Vg）的合成及卵巢对Vg的摄取，缩短交配雌虫的寿命等[19]。

3.2.1 昆虫的卵黄发生卵黄发生是成虫生殖活动的中心内容，是卵成熟的关键，其直接影响昆虫的繁殖力，也是JH调节生殖的主要靶标。