全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第22卷 第12期
2010年12月
Vol. 22, No. 12
Dec., 2010
文章编号 ：1004-0374(2010)12-1208-07
收稿日期：2010-05-12；修回日期：2010-10-29
基金项目：国家自然科学基金项目(30710103901)
通讯作者：E-mail: xfzhao@sdu.edu.cn
昆虫蜕皮激素信号转导途径研究进展
赵小凡
(山东大学生命科学学院，济南250100)
摘　要：蜕皮与变态是全变态昆虫典型的发育特征。调控昆虫蜕皮与变态的激素主要有蜕皮激素和保幼
激素。目前已经阐明了蜕皮激素的核受体 EcR 及部分核信号转导途径，但蜕皮激素是否存在膜受体及
膜信号转导途径研究很少。研究证明，蜕皮激素存在细胞质中的信号转导分子和途径，蜕皮激素通过
NTF2 和 Ran 调控EcR 入核启动基因转录。蜕皮激素使细胞质中的热休克蛋白Hsc70 部分入核与USP 结
合启动基因转录。蜕皮激素通过蛋白激酶PKC 使伴侣蛋白calponin 磷酸化，参与蜕皮激素信号途径的
基因转录。这些研究结果说明蜕皮激素除了有核受体和核受体信号转导途径外，还存在细胞膜受体和细
胞膜信号转导途径。
关键词：蜕皮激素；信号转导途径；蜕皮；变态；组织重建
中图分类号：Q966 文献标识码：A
Progress in insect molting hormone signaling transduction pathways
ZHAO Xiao-fan
(School of Life Sciences, Shandong University, Jinan 250100, China)
Abstract: Molting and metamorphosis are the typical developmental characters in holometabolous insects. The
processes are regulated by molting hormone (20E) and juvenile hormone (JH). The receptor of 20E known as EcR
and the related nuclear transduction pathways are partially demonstrated. However, if there is membrane recep-
tor and membrane transduction pathway are not known. Our studies in Helicoverpa armigera show that there
are signaling transduction molecules and pathways for 20E in the cytoplasm. 20E regulates EcR entering the
nucleus though NTF2 and Ran to initiate gene transcription. 20E regulates Hsc70 partially entering the nucleus
to combine with USP for gene transcription. 20E regulates calponin phosphorylation by protein kinase C to start
gene transcription. These data suggest that there is a membrane receptor and membrane signaling transduction
pathway for 20E, in addition to the nuclear transduction pathways.
Key words: molting hormone; signaling transduction pathways; molting; metamorphosis; tissue remodeling
全变态昆虫一生要经历胚胎—幼虫—蛹—成虫
等发育阶段, 如重要农业害虫棉铃虫，胚胎期3 d，
幼虫期6个龄期约16 d，蛹期10 d，成虫期3~5 d。
在这个生命周期中，由于几丁质外骨骼的限制，昆
虫必须通过周期性蜕皮(molting)才能完成个体生长与
发育。蜕皮包括幼虫不同龄期间的幼虫蜕皮(larval
molting，简称蜕皮)和从末龄幼虫变为成虫的变态
蜕皮(metamorphic molting，简称变态)。由于蜕皮
与变态是全变态昆虫典型的发育特征，其调控基因
及机理也有其特异性，因此，阐明调控昆虫蜕皮与
变态的基因及分子机理可以为害虫控制提供环境安
全的新思路和新方法，如研制调控害虫蜕皮的生长
调节剂农药，或利用昆虫特有的蜕皮基因研制转基
因抗虫作物。
昆虫蜕皮与变态涉及许多基本的分子生物学过
程，如细胞凋亡、干细胞分化及组织重建、激素
调控的信号转导等。棉铃虫幼虫蜕皮持续 10 余小
· 基金动态 ·
1209第12期 赵小凡：昆虫蜕皮激素信号转导途径研究进展
时，不吃少动，此时表皮细胞分泌蜕皮液，使表
皮发生皮层溶离，旧表皮被分解蜕除。幼虫蜕皮一
般只引起虫体大小变化，外形和内部组织器官没有
发生根本变化。而变态蜕皮从外形到内部组织器官
均发生根本变化。从末龄幼虫停止取食到化蛹的
3~4 d 中，幼虫表皮转换为蛹的表皮，幼虫中肠和
脂肪体开始凋亡，成虫中肠和脂肪体由干细胞开始
形成。在蛹发育为成虫的10 d 中，幼虫中肠和脂
肪体继续解体凋亡，成虫表皮、中肠和脂肪体逐渐
形成。这些生物学过程都是在激素调控下完成的。
目前已知调控昆虫蜕皮与变态的激素主要有蜕
皮激素(molting hormone, 20E)和保幼激素(juvenile
hormone, JH)，两者协同作用调控基因网络的级联
反应和相互作用。蜕皮激素启动和调控蜕皮与变
态，保幼激素抑制蜕皮激素调节的各种分子活动，
控制蜕皮的性质。在幼虫取食期保幼激素存在时，
蜕皮激素启动幼虫不同龄期间的蜕皮；在变态期保
幼激素滴度降低或消失时，蜕皮激素启动变态蜕
皮[1]。但蜕皮激素和保幼激素如何调控蜕皮与变态
的分子机理至今没有阐明，还有许多前沿科学问题
等待回答，如变态起始因子及作用机制、蜕皮激素
和保幼激素信号转导途径和相互作用、保幼激素受
体、组织重建的分子机理等。
我们实验室在国家自然科学基金的系列资助
下，以棉铃虫为材料，研究了鳞翅目昆虫蜕皮相关
的功能基因和蜕皮激素信号转导途径，证明蜕皮激
素不仅存在细胞核信号转导途径，而且存在细胞质
信号转导途径。在蜕皮激素调控下羧肽酶A 参与了
皮层溶离中的蛋白质水解，血细胞参与了脂肪体重
建。结合本领域的其他研究进展，将昆虫蜕皮激素
信号转导途径进行如下简要综述。
1　蜕皮激素信号转导途径
目前对于蜕皮激素的信号途径已经有了较多研
究，这得益于蜕皮激素核受体 EcR 的发现。已知
蜕皮激素与它的核受体EcR 和异源二聚体配体USP
在细胞核内形成转录复合体，调控 EcR、USP、激
素接受子3 (HR3)、E75、Broad Complex (BR-C)、
E93、bFTZ-F1、E74 等转录因子的表达，这些转录
因子再进一步调控下游效应基因如蛋白酶的表达[2]。
但目前对20E 的信号转导研究主要集中在蜕皮激素
的核受体信号途径上，而对细胞质信号转导途径了
解甚少。
20E 属于甾醇类激素，与动物体内的甾醇类激
素一样，一般认为是直接进入细胞核与核受体结合
启动基因转录。但有研究表明，基因转录前20E也
引起了非基因组水平的反应，如Elmogy 等[3]证明
20E 的竞争物ponasterone A可以结合在家蚕前丝腺
的细胞膜上，暗示细胞膜上有 2 0 E 的受体。
Srivastava等[4]报道果蝇G-蛋白受体能够迅速被20E
活化，证明了细胞表面受体介入了 20E 信号转导。
已知与昆虫蜕皮激素非常相似的植物甾醇类激素油
菜素内酯Brassinosteroids是通过膜受体酪氨酸激
酶受体 BRI1 调控植物生理和发育的[5, 6 ]，由此，
Thummel和Chory[7]指出取食于植物固醇经昆虫前胸
腺加工而成的昆虫蜕皮激素也可能存在膜受体。
研究证明，蜕皮激素存在细胞质中的信号转导
途径。蜕皮激素受体EcRB1 的入核需要核转运因子
NTF2 和 GTP 酶 Ran 的参与。NTF2 和 Ran 在哺乳
动物是可溶的细胞质因子，两者相互作用穿梭于细
胞核和细胞质之间运输蛋白质入核[8]。棉铃虫核转
运因子NTF2 在蜕皮与变态期高表达，但Ran 基本
持家表达。外源施加蜕皮激素20E证明两种基因都
受蜕皮激素上调。NTF2 和 Ran 可以相互结合进入
细胞核中。如果通过RNAi 干扰NTF2或 Ran 会导致
20E信号途径中断，20E途经中的基因不能被20E诱
导上调，并且EcRB1 被阻止在细胞质中不能入核。
这些结果说明，20E 信号途径需要NTF2 和 Ran 构
成的蛋白质入核转运系统调控EcRB1 入核。因此，
20E 除了直接进入细胞核参与形成EcR/USP 转录复
合体启动基因转录的核信号途径外，还存在将EcR
转运入核的细胞质中的信号途径[9](图1)。
在棉铃虫表皮细胞系中的研究也表明，细胞质
中存在20E信号转导途径。现在已经知道20E与EcR
结合后再与USP结合形成转录复合体，但在启动基
因转录时还需要一系列其他辅助因子的参与，如伴
侣分子Hsp90、Hsc70 和 Chd64 等[12]。在棉铃虫表
皮细胞系中通过RNAi沉默EcR、USP和热休克蛋白
Hsc70，导致20E 途径中的基因表达受阻。但干扰
EcR 或 USP 不相互影响两个基因的表达，而干扰
Hsc70会影响EcR和 USP表达，并且减少EcR和USP
在核中的积累。进一步研究发现，Hsc70 的作用机
理是在蜕皮激素作用下部分入核，并与 USP 结合，
参与形成EcR/USP 转录复合体，从而启动20E信号
转导。这些结果表明，20E 在入核启动基因转录前
需要有细胞质中的蛋白质如Hsc70 入核参与信号转
1210 生命科学 第22卷
导，说明细胞质中存在20E 信号转导途径[13]。
对棉铃虫变态期表皮蛋白质组学的研究进一步
揭示了蜕皮激素存在细胞膜上的信号转导途径。通
过双向电泳从变态时期棉铃虫幼虫表皮中鉴定到18
个变态期高表达或磷酸化变化的蛋白质，这些蛋白
质分别在机体代谢、组织重建、蛋白质合成、蛋
白储藏、信号转导中发挥作用。发现Calponin与目
前可能的变态起始因子Broad 有相同的表达模式，
即在变态时上调高表达。此外，20E 可使Calponin
上调表达，并通过蛋白激酶PKC 磷酸化Calponin。
因为PKC 是受G 蛋白偶联的膜受体途径调控的，说
明细胞质中存在蜕皮激素信号转导分子和途径，并
且可能与膜受体信号途径相关[14]。这些研究结果表
明，蜕皮激素在启动核信号途径转录基因前 / 时，
需要通过细胞质或细胞膜信号途径调控某些蛋白质
入核参与早期基因如蜕皮特异转录因子的表达，这
些转录因子再调控下游效应基因，如皮层溶离相关
的蛋白酶表达。
2　蛋白酶在皮层溶离中的作用
在蜕皮时，新旧表皮间发生分离，称为皮层
溶离(apolysis)，即旧表皮中的内表皮被表皮细胞和
皮细胞腺分泌的蜕皮液分解，被分解的蛋白质和几
丁质则被皮细胞吸收，用来重新合成新的表皮，而
脱去的仅是旧表皮的外表皮部分[15]。虽然前人研究中
已经知道蛋白酶参与了皮层溶离中蛋白质的水解[16]，
但对于蛋白酶种类和作用的分子机理却了解很少。
我们研究发现羧肽酶A 在蜕皮激素调控下参与了蜕
皮与变态期皮层溶离中的蛋白质水解。棉铃虫羧肽
酶A 主要在表皮中表达，脂肪体中有少量表达，但
中肠和血细胞中无表达，在幼虫蜕皮和变态蜕皮时
期高表达，而取食期表达量很低。免疫组化实验证
实羧肽酶 A 分布在蜕皮和变态时期的新旧表皮之
间，蜕皮激素20E上调该基因表达，而保幼激素类
似物methoprene抑制该基因表达。通过抗体亲和纯
化可以从蜕皮时期的表皮中得到有活性的羧肽酶A。
图 1 核转运因子 NTF2 和 GTP 酶 Ran 通过调控 EcRB1 入核参与 20E 细胞质信号转导
在20E作用下，importin a和 importin b 结合蜕皮激素受体EcR-B1，通过核孔复合物NPC运入核内[10] ；EcRB1 结合20E和
异源二聚体配体USP，形成启动20E 核信号途径的转录起始复合物，结合在蜕皮激素响应元件EcRE 上，转录一系列转录
因子及次级效应基因。Ran 以结合GDP 或 GTP 的形式存在；NTF2 将 RanGDP 通过 NPC 运入核内；RCC1(核苷交换因子)
在核内将Ran-GDP 转换成Ran-GTP，RanGTP 与运输蛋白importin a 和 importin b 结合出核，将货物蛋白EcRB1 释放到核
内；在RanGAP(Ran GTP 酶活化蛋白)作用下，Ran 通过自身的GTP 酶活性将RanGTP 转换成 RanGDP[11]
1211第12期 赵小凡：昆虫蜕皮激素信号转导途径研究进展
这些结果说明羧肽酶A 在蜕皮激素调控下参与了皮
层溶离中的蛋白质水解[17](图 2)。
在棉铃虫表皮中还发现一种持家表达的胰蛋白
酶，其氨基酸序列与大多数的中肠胰蛋白酶有较大
不同，而与人牛皮癣病中表达的胰蛋白酶Marapsin[18]
和人表皮脱落相关的蛋白酶Kallikreins-related pepti-
dases[19,20]有一定的相似性。通过抗体亲和纯化及
活性检测证明该蛋白酶是以有活性的形式持家表
达在棉铃虫表皮中的，其表达受保幼激素类似物
methoprene上调，但被蜕皮激素抑制，推测其功能
可能与昆虫表皮重建有关[21]。
蛋白酶属于激素调控的效应分子，处于激素信
号转导途径的终端，在基础研究中可以用来检测激
素信号转导途径的上游分子和信号途径，在生产中
可以用作害虫控制新农药的研制靶标。
3　蜕皮激素调控的组织重建
全变态昆虫在从幼虫转变为蛹和成虫时发生组
织重建，幼虫组织通过自嗜或凋亡等程序性细胞死
亡途径解体消亡，成虫组织则由干细胞重新增殖形
成。有研究证明蜕皮激素调控程序性细胞死亡[22,23]。
棉铃虫属于全变态昆虫，是研究组织重建的良好材
料。
棉铃虫幼虫中肠在变态时转变成红色，成虫中
肠由位于幼虫中肠基部的干细胞增殖分化形成, 幼虫
中肠凋亡分解，水解产物作为营养物质被吸收用于
成虫中肠的构建，不能被吸收的成分成为蛹粪在成
虫羽化时排出体外(图 3 )。中肠的外围有基膜保
护，基膜蛋白Hmg176 在幼虫蜕皮时高表达，受蜕
皮激素上调，但在变态时该蛋白质停止表达[24]。家
蚕颗粒血细胞在变态时可以进入中肠和脂肪体[25]，
基膜中Hmg176 停止表达可能使中肠失去保护从而
血细胞能够进入中肠参与中肠重建。
Okazaki等[26]发现家蚕血细胞在蜕皮时和蜕
皮后出现规律性的增加和减少，蜕皮和变态时
20%~30% 的血细胞发生程序性细胞死亡。这些现
象说明血细胞参与了蜕皮与变态，但血细胞是如何
参与蜕皮与变态的并不清楚。我们在棉铃虫的研究
表明，一种在血细胞中分布的组织蛋白酶L 可能参
与了血细胞在组织重建中的功能。 棉铃虫组织蛋白
酶L是一个相对分子质量为63 k的蛋白质，含有一
个前导肽抑制因子功能域(I29)和一个C1A木瓜蛋白
酶功能域。该蛋白酶主要分布在颗粒血细胞和浆血
细胞中，在蜕皮和变态期高表达，受蜕皮激素上
调。通过注射dsRNA 沉默该基因导致颗粒血细胞和
浆血细胞减少，并且颗粒血细胞不能进入脂肪体参
与脂肪体解体(图4)，造成幼虫死亡或形成幼虫—
蛹嵌合体，翅不能形成。该结果表明血细胞可能通
过组织蛋白酶L 参与脂肪体重建中的细胞程序性死
亡[27]。我们还证明组织蛋白酶B参与了成虫脂肪体
的程序性细胞死亡[28]。
4　蜕皮激素和保幼激素的相互作用
保幼激素是一类萜烯类化合物，与蜕皮激素相
图 2 免疫组织化学显示棉铃虫羧肽酶A在皮层溶离时高表达
6 龄 -1 20 h 幼虫表皮。蓝色，细胞核；绿色，用抗体检测到的羧肽酶A
1212 生命科学 第22卷
互作用共同调控昆虫的蜕皮、变态和生长[29]。与蜕
皮激素信号传导途径相比，目前对保幼激素作用机
理及信号转导途径均知之甚少，主要原因是至今没
有确认保幼激素的受体。虽然目前有两个保幼激素
的可能受体 Met 和 USP，但由于诸多原因，例如
USP 结合JH 的能力很低、果蝇突变 USP 后导致死
亡、USP 是蜕皮激素受体复合物EcR/USP 的一个组
成成分以及果蝇不能像鳞翅目昆虫那样被保幼激素
阻止变态等，目前无法确切地证明或者排除USP就
是JH 的受体[30]。
而另一个JH的可能受体Met，与它的同源基因
GCE 有约70% 的相似性，表达水平是GCE 的 10 倍。
图3 棉铃虫中肠重建形态图
5th-HCS：5龄蜕皮；6th-24 h：6龄-24 h；6th-96 h：6龄-96 h；p-1 d：蛹-1 h；p-6 d：蛹-6 h；p-9 d：蛹-9 h；
M g ：中肠；H g ：后肠；F b ：脂肪体
图 4 RNAi 沉默组织蛋白酶 L 导致颗粒血细胞和浆血细胞减少，颗粒细胞不能进入脂肪体，脂肪体不能
解体
蛹0 d 观察。Gr：颗粒血细胞；Pl：浆血细胞；Pr：原血细胞；dsHa-CathL：棉铃虫组织蛋白酶双链RNA；dsGFP：
绿色荧光蛋白双链RN A 作对照
1213第12期 赵小凡：昆虫蜕皮激素信号转导途径研究进展
Met 和 GCE 既能形成同源二聚体，又能以异源二聚
体的形式存在[31]。虽然Met具有高结合JH的能力，
但Pursley等[32]发现虽然Met缺失突变体果蝇的成虫
产卵延迟、生殖力下降，但它的胚后发育基本正
常，这与JH 受体的重要生理功能不相吻合。 其中
的原因之一可能是GCE替代了Met的功能。Bitra 和
Palli[33]根据酵母双杂交实验中蜕皮激素或保幼激
素不增强Met 与它自身，或与USP、EcR 形成二聚
体的结果，也认为 Met 不是 JH 受体。所以，Met
是不是 JH 的受体也存在争议。
考虑到JH功能的多样性和能够广泛结合多种蛋
白质，Wheeler和Nijhout[34]提出JH可能具有多种受
体，包括核受体和膜受体。JH 的一些作用是通过
某种膜受体和蛋白激酶C (protein kinase C, PKC)信
号通路来完成的[35,36]。
由于20E与 EcR和 USP结合形成转录复合体时
还需要一系列其他辅助因子的参与，如伴侣分子
Hsp90、Hsc70 和 Chd64 等，因此，JH 与 20E 相
互作用也可能是通过共同利用某些蛋白质形成不同
的转录复合体从而实现两种激素的协同作用。还有
一些基因同时受蜕皮激素和保幼激素的调控，如
USP、Br，但不同激素可能调控磷酸化水平不同，
导致功能变化。
5　昆虫蜕皮与变态分子机理研究成果在生产中
的应用
由于昆虫在蜕皮时不吃少动，对作物没有危
害，因此，昆虫蜕皮一直是害虫控制的研究靶标。
根据昆虫蜕皮与变态的机理，现在已经发展出许多
控制 害 虫的 新 方法 ，如用 保 幼激 素 类似 物
(methoprene)[37]和蜕皮激素类似物(RH-化合物) 作为
生长调节剂类杀虫剂[38]，通过抑制或促进蜕皮实现
害虫控制。我们用蜕皮激素类似物RH-2485 对棉铃
虫进行的实验室和田间防治实验表明，RH-2485 可
以促进棉铃虫致死性提前蜕皮，对棉铃虫有很好的
防治效果[39]。
将蜕皮激素接受子HHR3 重组到苜蓿银纹夜蛾
Autographa californica多角体病毒(AcMNPV) 中，
构建了具有绿色荧光蛋白标记和多角体蛋白包装的
基因重组病毒(AcMNPV-GFP-HHR3-Polh)，可以通
过消化道感染棉铃虫，导致棉铃虫幼虫的非正常蜕
皮、生长延缓、半数存活时间下降[40 , 4 1]。
蜕皮级联反应中的关键分子EcR 和 USP 已经
被发展成为控制转基因植物外源蛋白质表达的分
子开关[42], 通过在田间施用蜕皮激素类似物来调控
目的基因的定时表达[43]。Mao 等[44]将棉铃虫P450
monooxygenase 基因的dsRNA 转化到拟南芥、烟草
和棉花等作物内，得到转dsRNA 的转基因作物，可
以降低棉铃虫对棉酚的抗性，阻碍棉铃虫的正常生
长。随着对昆虫蜕皮与变态分子机理的研究，必然
发现更多的功能基因和方法用于害虫控制。
[参　考　文　献]
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