雌性蜜蜂级型决定的分子机制

会选择性地发育成蜂王或工蜂。这一发育转变的基础并非蜂王 和工蜂之间的基因组差异，而是调控幼虫发育命运的一套基因 的差异表达。从营养、激素、蛋白质组、基因转录产物和 D N A 甲基化等方面对决定蜜蜂级型分化的分子机制进行了综述，并 对以后的研究方向进行了展望。 关键词：蜜蜂；级型分化；营养；激素；蛋白质组；基因 N A甲基化 转录产物；D 中图分类号：S891 +.1 文献标识码：A 文章编号：1 003- 91 39 （ 201 1 ） 04- 0001 - 07
CH EN X uan, H U Fu- li ang (College of A ni mal Sci ences, Zhej i ang U ni ver si t y, H angzhou 31 0058, Chi na) Abs tract: D ependi ng on t hei r lar val envi r onment , f emale honeybees develop i nt o ei t her queens or w or ker s. Thi s development sw i t ch depends not on genomi c di f f er ences betw een queens and w or ker s but on t he di f f er ent i al expr essi on of genes i nvolved w i t h lar val f at e. Thi s r evi ew w i ll r ecap t he molecular det er mi nant s i nvolved i n cast e di f f er ent i at i on at aspect s of nut r i t i on, hor mones, pr ot eome, t r anscr i pt s, D N A met hylat i on and pr ovi de i nsi ght s i nt o f ut ur e exper i ment s t hat mi ght f ur t her our under st andi ng of cast e di f f er ent i at i on i n honey bee. Key words : honey bee; cast e di f f er ent i at i on; nut r i t i on; hor mones; pr ot eome; t r anscr i pt s; D N A met hylat i on 表型可塑性是指一个基因型根据环境的不同，产 生多个形态 、 生理状态和 / 或行为表型的能力 [1]。 许 多生物体根据环境的差异而表现出表型可塑性，可塑 性相关的表现及多型性是昆虫社会得以形成的基石， 并使得昆虫成为研究多型性进化的一个很好的群体[2]。 蜜蜂蜂王和工蜂的级型分化是表型可塑性的模型系 统 [1- 4]。 环境不同，蜜蜂受精卵发育成的二倍体雌性蜂会 选择性地发育成蜂王或工蜂，她们在形态、生理、社
2 参与蜜蜂级型分化的蛋白质类物质
2.1 激素
在蜜蜂级型分化过程中，不同的食物作用于内分 泌系统，导致蜜蜂发育成蜂王或工蜂。 2.1.1 保幼激素 （ JH ） 保幼激素对于蜜蜂的级型分化起关键的 作 用[7,16,17]。在蜜蜂幼虫发育过程中，分泌保幼激素的 咽侧体大小和活力的差别[18,19]导致血淋巴 JH 滴度的级 型特异性差异，从而激活不同的发育模式，使得幼虫 发育成两个截然不同的雌性表型— ——多产的蜂王和准 不育的工蜂[19- 22]。用保幼激素处理 3.5 日龄工蜂幼虫， 培育出了工蜂 - 蜂王中间体[18]。在末龄幼虫，低滴度 JH 引起工蜂幼虫卵巢程序性细胞死亡，发育成的雌 性个体仅有较少数量的卵巢管[22- 26]。 2.1.2 蜕化类固醇 蜜蜂生长发育的一般变态程序受到 JH 和蜕化类 固醇的共同调节 [27]。 与 JH 的大量研究相比，人们对 蜕化类固醇的关注相对要少 。 1990 年， Rachinsky A 和同事 [19]比较了蜜蜂蜂王和工蜂血淋巴中 JH 和蜕化 类固醇的滴度，发现在两个级型的预蛹期都有一个蜕 化类固醇的峰，但是滴度开始上升的时间在蜂王幼虫 中明显比工蜂幼虫早。用高效液相色谱对这个峰进行 成分分析，证明其主要成分是罗汉松甾酮 A （ makis），另外还有大量的 20- 羟基蜕皮酮 （ 20- hyterone A droxyecdysone ）。 后来， Rachinsky A 和 Engels W[28]用 实验证实在蜜蜂级型分化过程中， JH 启动了蜕化类 固醇的合成，因而最终调控蜂王特征分化的是蜕化类 固醇。因此，他们认为需要改进 JH 在级型分化中起 主导作用的观念，正确激素信号顺序应该是：在正确 的时间血淋巴 JH 水平的增加，随后退化类固醇滴度 的上升，使得具有双向发育潜力的幼虫转向蜂王发育 轨道。 除了 JH 和蜕化类固醇，促前胸腺激素 （ prothoracicotropic hormone ） 也可能参与调控蜜蜂的级型分 化[7]。
2.1.3
IIS/ TO R 途径 在许多物种中，传达营养信息的一个中心角色就
是胰岛素信号途径[29, 30]。胰岛素 / 类胰岛素信号 （ IIS ） 途径是一个进化保守的模块，能调控后生动物的体型 和相关的器官生长[31]。所以胰岛素可能在蜜蜂的级型 分化中起作用[32]。Wheeler D 等[32]针对分化早期 2、3、 4 日龄的蜂王和工蜂幼虫，这个时期营养和激素的差 异能影响级型的发育，检测了 IIS 途径中编码 5 个蛋 白质的基因的表达情况。结果发现蜜蜂类胰岛素肽 1 （Am insulin- like peptide 1, AmILP- 1 ） 在蜂王 幼 虫 中 的表达水平显著高于工蜂幼虫；而蜜蜂类胰岛素肽 2 （Am insulin- like peptide 2, AmILP- 2 ） 在工蜂 幼 虫 中 的表达水平显著高于蜂王幼虫；蜜蜂胰岛素受体 AmIR- 2 ） 在蜂王幼虫中的表达水平显著高于工蜂幼 （ 虫 。 随后， Azevedo S V 和 Hartfelder K[33]又针对 4 日 龄和 5 日龄的蜂王和工蜂幼虫，进一步研究这两个类 胰 岛 素 肽 （AmILP- 1 和 AmILP- 2 ） 和胰岛素受体 （ AmInR- 1 和 AmInR- 2 ） 的表达。结果表明 AmILP- 2 在两个级型中都是主要的类胰岛素肽转录物，但在工 蜂幼虫中的表达仍显著高于蜂王幼虫。两个胰岛素受 体基因的表达在 4 日龄蜂王幼虫中都大幅下降，而在 工蜂幼虫中几乎没有变化，这可以解释为 IIS 模块和 JH 之间的对抗性相互干扰 。 另外，他们比较了 AmInR- 1 和 AmInR- 2 在蜂王和工蜂幼虫卵巢和整个虫 体中的表达差异，结果显示在蜂王幼虫卵巢表达水平 都很低，在 5 日龄工蜂幼虫卵巢 AmInR- 2 有个大幅 度下降，表明 IIS 途径的活力在特殊组织和整个虫体 之间是相对独立的。为进一步验证 IIS 确实在级型分 化中起作用，Wolschin F 等[34]用 RNA 干扰技术敲除蜂 王幼虫一个关键的 IIS 受体蛋白—— —胰岛素受体底物 （ insulin receptor substrate, IRS ） 同源物的基因，引起 了工蜂形态的发育，实验组 irs 基因敲除 72、 96 和 120 h 的幼虫与对照组幼虫在蛋白质组水平也存在差 异，包括一个自然状态下级型分化相关的储藏蛋 ——hexamerin 110[35,36]。 白— 蛋白激酶 TOR （ target of rapamycin ） 是一个根据 营养状态调控细胞和生物体生长的保守真核生物信号 途径的关键组分 [37,38]。 生物体生长速度与核糖体数量 及代谢有关，在酵母和果蝇中， TOR 依赖的生长调 控包括核糖体和代谢基因的转录调控 [39, 40]。 2007 年， Patel A 和同事用实验证明 TOR 途径是双向级型发育 的关键作用因子 [41]。 他们首先用雷帕霉素 (rapamycin) /FK506 药物学和 RNA 干扰技术进行基因敲除证明蜜 ） 在级型分化 蜂 TOR （ Apis mellifera TOR， amTOR 中起作用 。 即用 TOR 抑制剂雷帕霉素敲除蜂王幼虫 amTOR 基因，阻止了其蜂王性状的发育，而转变成 发育完好的工蜂 。 进一步研究发现， amTOR mRNA
1.2 花粉
人们非常重视蜂王浆在级型分化中的作用，却忽 视了花粉在其中的可能的作用 。 1901 年，比利时诗 人 、 诺贝尔奖得主 Maeterlinck M 在惊讶于蜂王浆神
收稿日期：2011- 03- 03 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （ 30871 830 ） 作者简介：陈璇 （ 1 984- ），女，博士研究生；胡福良，教授，博导，E- mai l: f lhu@ zj
1.1
蜂王浆
蜂王浆在蜜蜂的级型分化过程中起着重要的作
用。蜂王浆组成物质包括蛋白质、游离氨基酸、脂肪 酸、糖类、维生素和矿物质等 [9]。 蜂王在整个幼虫时 期都获得大量的蜂王浆，而工蜂幼虫只在前三天获得 充足的蜂王浆，后面几个日龄食用的是王浆、蜂蜜和 花粉的混合物，且得不到充足的供应。另外，3 日龄 以内，蜂王和工蜂得到的蜂王浆主要成分没有差异， 3 日龄以后，工蜂幼虫得到的浆状物和蜂王幼虫得到 的蜂王浆在脂肪、糖、蛋白质等的含量上存在差别[10]。 人们普遍认为蜂王浆的生物学效力至少可部分地归 因于一组蛋白质—— —王浆主蛋白 （ Major Royal Jelly Proteins，MRJPs ） ，占王浆中全部蛋白质的 82%～90%[11- 12]。 在蜜蜂基因组中，MRJPs 由簇集在相同染色体区域的 yellow 基因家族的 9 个基因编码， yellow 基因家族的 功能与昆虫色素沉着 、 发育及性成熟相关 [12- 13]。 在蜜 蜂中，MRJP 家族对于所有真社会性行为的主要方面 都是不可或缺的，包括调控蜜蜂的级型分化[12]。MRJPs 中存在的高水平的氮可能对于幼虫快速生长以及 对于多产蜂王的发育至关重要[12]。