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Research advances in the insect laccase

昆虫漆酶的研究进展



全 文 :第 12卷第 1期
2014年 1月
生  物  加  工  过  程
Chinese Journal of Bioprocess Engineering
Vol􀆰 12 No􀆰 1
Jan􀆰 2014
doi:10􀆰 3969 / j􀆰 issn􀆰 1672-3678􀆰 2014􀆰 01􀆰 012
收稿日期:2013-10-15
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB707402);国家自然科学基金(31272370)
作者简介:于孟兰(1990—),女,内蒙古赤峰人,硕士研究生,研究方向:黄翅大白蚁中肠漆酶的相关研究;倪金凤(联系人),教授,E⁃mail:jinfgni
@ sdu􀆰 edu􀆰 cn
昆虫漆酶的研究进展
于孟兰,倪金凤
(山东大学 生命科学学院 微生物国家重点实验室,济南 250100)
摘  要:从昆虫漆酶的种类、分布、序列信息、研究方法以及体内功能等方面对昆虫漆酶的研究现状进行综述,并提
出昆虫漆酶有望应用于木质素降解和害虫防治等领域。
关键词:昆虫漆酶;木质素;角质层鞣化
中图分类号:Q814􀆰 2        文献标志码:A        文章编号:1672-3678(2014)01-0080-06
Research advances in the insect laccase
YU Menglan,NI Jinfeng
(State Key Laboratory of Microbial Technology,School of Life Science,Shandong University,Jinan 250100,China)
Abstract: Recent research advances in the varities and distributions of insect laccase, sequence
information and research methods, and functions on degradation of lignin and cuticle tanning are
reviewed􀆰 The application prospect of insect laccases in lignin degradation and pest control is also
presented􀆰
Key words:insect laccases;lignin;cuticle tanning
    漆酶( laccase,EC 1􀆰 10􀆰 3􀆰 2),是多铜氧化酶家
族(multicopper oxidases,MCOs)中的最大组成部分,
具有较广的底物范围,能够氧化双酚、氨基或甲氧
基替代单酚、芳香二元胺、羟酚氨成分和木质素[1]。
漆酶广泛存在于真菌、高等植物、细菌和昆虫中,在
不同的物种中发挥着不同的作用。 植物来源的漆
酶主要参与木质素的生物合成与降解[2]。 细菌漆
酶[3]主要在黑色素产生、芽胞壁防御、形态发生和
铜离子脱毒等方面起作用。 真菌漆酶主要与色素
生成、植物致病和木质素降解有关[4];而昆虫漆酶
主要参与木质素的氧化和昆虫角质层的鞣化。 另
外,漆酶在纺织、制浆、食品应用等方面都有广泛的
用途[5]。
目前,关于木质素降解的研究主要集中于丝状
担子菌(白腐菌和棕腐菌)。 白腐菌通过氧化、脱甲
基化等途径实现木头中木质素的降解[6]。 而棕腐
菌则能够绕过木质素屏障,通过对木质素进行微小
的修饰来移除半纤维素和纤维素[7]。 在复杂的生
态环境(如昆虫肠道)中,微生物群体而非单个物种
参与木质素降解,从而增加了研究难度。 已有研究
发现白蚁肠道微生物具有降解纤维素的能力[8],但
是木质素如何被降解还没有清晰地阐述[9]。 Ni
等[10]概述了木质素在白蚁肠道中的结构变化,Geib
等[11]通过检测木质素在光肩星天牛(Anoplophora
glabripennis)和溼木白蚁(Zootermopsis angusticollis)
肠道内的化学变化,证实了昆虫肠道具有木质素的
降解或修饰能力。
漆酶是重要的木质素降解酶之一。 尽管昆虫
角质层漆酶活性发现[12]已经超过 50 年,但是直到
最近通过基因沉默的方法将昆虫角质层中的漆酶
基因沉默,昆虫漆酶参与角质层鞣化、色素沉积等
功能才真正被证实[13]。 目前,基因组测序的广泛应
用使得昆虫漆酶的寻找变得简单。 研究人员发现
一个昆虫中存在多种漆酶基因,说明不同的漆酶可
能在昆虫生理上发挥不同的功能[14-15]。
本文中笔者主要对国内外昆虫漆酶的研究进
行总结,展示昆虫漆酶的研究现状,挖掘昆虫漆酶
的应用潜力。
1  昆虫漆酶的种类与分布
根据酶生理作用的不同,将昆虫漆酶主要分为
漆酶 1(laccase 1)和漆酶 2( laccase 2)。 漆酶 1
分布于昆虫的多种组织器官中,如唾液腺、中肠、马
氏管等;而漆酶 2 主要分布于表皮、卵壳等组织中。
其中,漆酶 2 已经被证明与角质层的鞣化有关[13],
对昆虫漆酶 1 的研究推测该酶主要参与食物的
脱毒[15]。
2  昆虫漆酶的序列信息
与植物和真菌来源的漆酶相比,昆虫漆酶既有
其相同之处也有其独特之处。 相同之处表现为:①
均含有 1型(Type 1,T1)铜离子结合位点和 2型 / 3
型(Type 2 / Type 3,T2 / T3)位点构成的铜离子结
合簇[16]。 在这 2 个活性区域中,有 10 个保守的组
氨酸和 1个保守的半胱氨酸。 ②大多数漆酶是分泌
型的,含有信号肽。 ③漆酶序列中含有多个糖基化
位点。 昆虫漆酶的独特之处为:①昆虫漆酶具有较
长的 N 末端序列。 在漆酶第 1 个铜离子结合的组
氨酸前面,真菌和植物来源的漆酶大约有 60个氨基
酸,而昆虫漆酶有大约 200到 400个氨基酸的残基。
②昆虫漆酶 N 末端相似性较低,差异较大。 但在
所有已知昆虫漆酶序列中,都含有一段特有的半胱
氨酸 X 精氨酸 X 半胱氨酸(C X R X C)
基序以及下游的多半胱氨酸序列,大约位于第 1 个
铜离子结合组氨酸上游 90个氨基酸的位置,而这段
序列在植物和真菌漆酶中不存在[15]。 ③昆虫漆酶
的 T1铜离子中心含有一个保守的甲硫氨酸,而在
真菌或植物漆酶中,这个保守的氨基酸大多为苯丙
氨酸或者亮氨酸。 由于这个氨基酸的不同,导致漆
酶在 T1区域的几何结构不同,从而使漆酶的氧化
还原电位发生改变[17-18]。
漆酶工程数据库( laccase engineering database,
LccED)是第 1个多铜氧化酶的数据库,包含漆酶和
多铜氧化酶的序列信息[16]。 在 LccED ( http:∥
www􀆰 lcced􀆰 uni⁃stuttgart􀆰 de)中有 11 个超家族(超家
族 A~K),包含 56 个亚家族。 其中,昆虫漆酶属于
超家族 C,包括 8个同源亚家族,排列为 C1~C8。 截
至 2013年 5月 28 日,共有 230 个预测为漆酶或者
多铜氧化酶的蛋白,包含 275条序列,其中漆酶 1 的
蛋白序列占 11􀆰 7%,漆酶 2 占 10%。 目前,仍没有
昆虫漆酶的晶体结构被解析出来。
3  昆虫漆酶的研究方法
分布于唾液腺、马氏管等组织的漆酶较易提
取,直接解剖获得组织,研磨后离心,进行活性检测
即可。 而角质层中的漆酶因与角质层紧紧地结合
在一起,使其性质研究受到很大的阻碍。 早期研究
使用的方法主要有: ①酶解法,例如用胰蛋白酶或
糜蛋白酶处理角质层,获得酶悬液。 ②化学提取
法,如使用四硼酸钾和抗坏血酸的混合液或者尿素
处理角质层将漆酶溶解出来[19]。 但是,这 2 种方法
有一些局限性,且不稳定。 近年来,新发展起来的
基因组、转录组、质谱分析等技术为昆虫漆酶基因
的获得提供了方便,如对黑腹果蝇 ( Drosophila
melanogaster)、家蚕(Bombyx mori)、埃及伊蚊(Aedes
aegypti)的基因组测序分析,发现了更多的漆酶基
因。 通过基因克隆的方法,可以对角质层漆酶的表
达情况进行研究[15]。 而 RNAi[20]技术则为研究昆
虫漆酶参与角质层硬化等体内功能提供更直接的
证据。
4  昆虫漆酶的体内功能
4􀆰 1  昆虫漆酶参与木质素的降解或食物脱毒
漆酶是真菌木质素降解中很重要的一个酶,对
于昆虫漆酶的研究,多集中于漆酶 2 在昆虫外骨骼
的硬化、表皮色素沉积和角质层鞣化方面的作
用[21],而对漆酶 1 的研究进展不大。 Arakane 等[13]
对赤拟谷盗(Tribolium castaneum)漆酶基因 TcLac1
进行沉默,但是没有观察到任何表型,以至于不能
对 TcLac1的功能得出结论。
对分布于烟草天蛾(Manduca sexta)马氏管和中
肠中的漆酶 MsLac1 进行研究发现,当烟草天蛾进
18  第 1期 于孟兰等:昆虫漆酶的研究进展
食后,漆酶基因 MsLac1在马氏管和中肠组成型高表
达,而在幼虫开始休眠时消失。 因为马氏管和中肠
在功能上与昆虫脱毒有关[22],所以推测 MsLac1 可
能与食物中的有毒成分氧化或脱毒有关[15],或者参
与离子代谢[23]。
Gorman等[14]研究发现冈比亚按蚊( Anopheles
gambiae)的多铜氧化酶 AgMCO1也存在于马氏管和
中肠。 当对雌性冈比亚按蚊注射血液时,AgMCO1
的表达量上调,说明 AgMCO1 可能参与离子代谢。
但因雄性冈比亚按蚊、黑腹果蝇和烟草天蛾能够不
依赖血液存活,说明 AgMCO1 的功能不仅仅是血液
离子的脱毒。 当注射细菌时,AgMCO1 的基因转录
与其在黑腹果蝇中的同源物一样,都出现明显地上
调表达,表明 AgMCO1 可能参与昆虫体内的免疫
调节。
黑尾叶蝉(Nephotettix cincticeps)的唾液腺在昆
虫与水稻相互作用中发挥重要作用。 黑尾叶蝉有 2
种漆酶 1:NcLac1S 和 NcLac1G。 NcLac1S 只在唾液
腺表达,而 NcLac1G 的表达在角质层、马氏管、中
肠、唾液腺中都能检测到[24]。 原位杂交实验证明,
NcLac1S在唾液腺的 V cell中高度表达,这与之前
的研究结果吻合。 因此有学者认为,黑尾叶蝉唾液
腺漆酶能够通过氧化作用,对水稻中的单酚进行脱
毒作用,继而形成无毒的聚合物,并通过醌鞣化反
应,使螫针鞘中出现的凝胶快速氧化[24-25]。
因白蚁能够有效利用难分解的木质纤维素,并
将其转化为自身或者共生生物利用的能量,其在生
物能源中的潜在应用受到广泛关注[9]。 对低等白
蚁黄肢散白蚁(Reticulitermes flavipes)肠道的宏转录
组分析,在宿主文库中发现了 6条漆酶转录组序列,
而在共生生物的文库中没有发现,说明漆酶为宿主
来源[26]。 将这些序列与其他昆虫的漆酶进行序列
比对,发现具有很高的同源性,也支持其为昆虫来
源漆酶。 以焦棓酸[1]为底物进行活性检测,证实黄
肢散白蚁肠道漆酶具有氧化焦棓酸的能力[27]但不
能氧化酪氨酸、多巴胺和其他黑色素前体,说明该
酶没有昆虫角质层漆酶的功能。 Coy 等[26]将黄肢
散白蚁的漆酶基因 RfLac 异源表达后进行活性分
析,证明其具有木质素降解能力。
高等培菌白蚁的外部共生真菌,具有很高的漆
酶活性,推测在培菌白蚁木质素降解中发挥重要的
作用[28]。 笔者所在课题组对培菌白蚁黄翅大白蚁
中肠进行转录组测序,发现了预测为漆酶的转录组
序列,与其他昆虫来源的漆酶序列进行系统进化树
比较,证实为昆虫来源。 该漆酶的功能尚不清楚。
4􀆰 2  昆虫漆酶参与角质层鞣化、硬化和色素化
昆虫外骨骼和 /或角质层除了给昆虫提供保护
作用外,还在昆虫的运动、呼吸和交流方面发挥重
要的作用。 角质层由表皮细胞分泌,并由上表皮和
前表皮组成。 在昆虫的角质层中,来源于多巴胺和
二羟基苯乙醇的邻苯二酚被氧化生成醌,并与昆虫
前表皮中的蛋白相交联,然后昆虫角质层实现鞣
化[29]。 邻苯二酚的氧化主要由存在于昆虫角质层
中 2种不同类型的酚氧化酶(酪氨酸酶和漆酶)催
化完成。 酪氨酸酶具有一元酚单氧酶(monophenol
monooxygenase,EC 1􀆰 14􀆰 18􀆰 1)活性,可以将一元酚
羟化产生 o 苯二酚,然后发挥儿茶酚氧化酶
(catechol oxidase,o⁃diphenol oxidase,EC 1􀆰 10􀆰 3􀆰 1)
的活性,将 o 苯二酚氧化成相应的苯醌。 漆酶虽然
缺少酪氨酸酶的单加氧酶活性,却能氧化 o 苯二酚
和 p 苯二酚。 针对酪氨酸酶已经做了很多的研究,
且已被证实能在鞣化、伤口愈合和昆虫免疫方面发
挥很大的作用[30],虽然关于漆酶在这方面的研究很
少,但仍有很多证据表明漆酶在角质层骨化过程中
发挥重要的作用[31]。
Yamazaki[32]在黑果蝇(D􀆰 virilils)的蛹壳中发现
了一个与蛹壳硬化有关的酚氧化酶。 酶活性分析
发现,在蛹壳开始形成阶段,能够检测到酶活性,并
在蛹壳形成后 3 h达到最大酶活。 通过对该酶的性
质鉴定,确定为漆酶。 在黑腹果蝇的蛹壳角质层
中,也发现类似的酶。 以甲基氢醌为底物对铜绿蝇
(Lucilia cuprina)3龄幼虫角质层中溶解出来的酶进
行活性分析,发现在蜕皮期酶的氧化活性与脱皮的
相关性较好,活性在休眠早期很低,而在蛹化期则
增加至之前的 5倍[33]。
对家蚕中存在的漆酶进行纯化分析发现了
BmLaccase2。 该漆酶在蜕皮前的上皮中高度表达,
但在新蜕皮蛹的角质层中却不能检测到该漆酶的
活性,只能在蜕皮结束的几小时后检测到,表明该
漆酶以无活性的酶原形式生成,然后在蜕皮后被
激活[19]。
采用 RANi 技术将赤拟谷盗的漆酶 2 基因沉
默,发现角质层不能硬化,同时伴有角质层不能染
色和躯体残疾[34-35],且导致个体在脱皮期死亡。 而
采用同样的方法敲除漆酶 1或酚氧化酶酪氨酸酶对
角质层的鞣化没有影响。 对松墨天牛(Monochamus
28 生  物  加  工  过  程    第 12卷 
alternatus)漆酶 2 的敲除得出了与赤拟谷盗类似的
结果。 说明漆酶 2 在角质层鞣化、形态学和色素沉
积等方面发挥重要的作用[36]。 对冈比亚按蚊进行
基因组分析[14],对家蚕[19]和烟草天蛾[37]进行质谱
分析,也鉴定出了漆酶 2。
对半翅类昆虫椿象的 3 个属的点蜂缘蝽
(Riptortus pedestris, Alydidae)、孔背长椿象 (Nysius
plebeius,Lygaeidae) 和 臭蝽(Megacopta punctatissima,
Plataspidae)的漆酶 2进行研究,发现在蜕皮前,漆酶
2基因在表皮组织高度表达,而当用 RNAi 技术将漆
酶 2基因沉默则使蜕皮后的色素沉积被阻碍,且这种
阻碍具有剂量依赖性[21]。
4􀆰 3  昆虫漆酶的其他功能
对意蜂(Apis mellifera)的漆酶 2(Amlac2)进行
研究,表明 Amlac2 的表达受蜕皮激素调控,且对成
年蜜蜂外骨骼的分化有重要的作用[38]。 对白纹伊
蚊(A􀆰 albopictus)的漆酶 2 研究发现,漆酶 2 对其蛋
壳硬化和色素沉积发挥重要的作用。 因雌性白纹
伊蚊在吸食血液后,漆酶 2基因上调,预测漆酶 2 与
白纹伊蚊卵巢的发育有关[39]。
对淡色库蚊 ( Culex pipiens pallens) 的漆酶 2
(CpLac2)的研究表明,CpLac2不仅在蛋壳的鞣化和
角质层的硬化方面发挥作用,当分别对药敏感和不
敏感的淡色库蚊中 CpLac2的表达量进行分析时,发
现对药不敏感的淡色库蚊过表达 CpLac2。 这说明,
CpLac2可能会通过加固蛋壳的角质层,以降低农药
的渗透率[40]。
在瘤姬蜂(Pimpla hypochondriaca)的毒囊中也
存在漆酶 PhLac1,且具有 L 多巴胺氧化活性,说明
该酶可能与鞣化途径有关。 或者,该酶可能通过引
起血细胞裂解或阻止拟寄生幼虫的包装以规避宿
主的免疫系统[41]。
4􀆰 4  昆虫漆酶酶学性质分析
酶的底物特异性、米氏常数分析为掌握酶的功
能提供了很高的参考价值。 Dittmer 等[42]通过对家
蚕、红头丽蝇(Calliphora vicina)、黑腹果蝇、黑果蝇、
铜绿蝇、烟草天蛾、黑尾叶蝉等漆酶酶活性分析发
现,漆酶的最适 pH呈酸性,并且具有很高的热稳定
性,除了对内生底物乙酰多巴胺(N⁃acetyldopamine,
NADA) 和 丙 氨 酰 多 巴 胺 ( N⁃β⁃alanyldopamine,
NBAD)具有很高的活性外,还能分别在以甲基邻苯
二酚 ( 4⁃methylcatechol, 4 MC ) 和 甲 基 氢 醌
(methylhydroquinone,MHQ)为底物的反应中观察到
高活性。 而对欧美散白蚁唾液腺及前肠的漆酶酶
活性测定发现,该漆酶对 2,6 DMP 和焦棓酸具有
很高 的 氧 化 能 力, 但 不 能 氧 化 左 旋 多 巴
(L DOPA),也说明白蚁肠道的漆酶可能参与木质
素氧化[26]。 表 1 为目前已经进行酶学性质分析的
昆虫漆酶及其对应的基因序列号的信息汇总。
表 1  酶学性质分析的昆虫漆酶
Table 1  Characterized insect laccases
物种 分类 序列号 文献
家蚕 漆酶 2 NM_001109925 [12]
红头丽蝇 漆酶 ①无 [43]
黑腹果蝇 漆酶 ②多个序列号 [32]
黑果蝇 漆酶 ②多个序列号 [44]
铜绿蝇 漆酶 ①无 [33]
烟草天蛾 漆酶 1漆酶 2
AY135185
AY135186 [37]
黑尾叶蝉
漆酶 2
漆酶 1G
漆酶 1S
AB514131
AB514130
AB514129
[24]
欧美散白蚁
漆酶 6,7,
12 17,
19,10
GQ421909 17 [26]
赤拟谷盗 漆酶 1漆酶 2A
AY884065
AY884061 [13]
鼠丽蝇 漆酶 ①无 [45]
  注:①—做过酶学性质分析,但是没有查找到序列;②—有活性分
析,通过基因组测序查到很多漆酶序列,但是不知道哪条序列
对应活性漆酶。
    漆酶酶活性分析数据中,测定米氏常数的数据
较少,仅发现家蚕、红头丽蝇、烟草天蛾和鼠丽蝇来
源的漆酶有相关的米氏常数测定数值。 其中最大
和最小的米氏常数均在烟草天蛾漆酶实验组,所对
应的底物分别为二羟基苯丙氨酸(DOPA)和甲基氢
醌[46]。 Groman等[47]分别对赤拟谷盗和冈比亚按
蚊漆酶 2的 4个亚型漆酶的米氏常数进行测定。 结
果表明,其中 2 个亚型 A和 B 的底物特异性没有大
的差异,并得出漆酶 2 的亚型可能在体内氧化相同
的底物,而各亚型在功能上的差异还需要进一步的
实验验证。
5  结  论
漆酶在细菌、真菌、高等植物中都发挥着非常
重要的作用,在昆虫中也不例外。 近十年对昆虫漆
38  第 1期 于孟兰等:昆虫漆酶的研究进展
酶功能研究证明漆酶 2 广泛参与昆虫角质层的鞣
化,而漆酶 1可能参与木质素的脱毒;同时,低等白
蚁肠道内源性漆酶的发现为昆虫可能参与木质素
的降解提供证据。 角质层鞣化、硬化和色素沉积对
昆虫的生长、发育、存活是必需的,应用漆酶 2 参与
昆虫角质层鞣化这一特性,为研制生物杀虫剂提供
了实验依据。 虽然通过基因组、转录组等测序技术
使得昆虫漆酶序列的发现变得更为容易,但还需要
更多的实验证据对昆虫漆酶的重要性进行支持和
验证,昆虫漆酶也有更多的潜力值得挖掘。
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(责任编辑  管珺)
58  第 1期 于孟兰等:昆虫漆酶的研究进展