维普资讯 http://www.cqvip.com １２８ 安徽农学通报，Ａｎｈｕｉ Ａｇｒｉ．Ｓｃｉ．Ｂｕｌ１．２００７，１３（２３） 昆虫信息素结合蛋白研究进展 钱荷英徐安英 （江苏科技大学蚕业研究所，江苏镇江２１２０１８） 摘要：昆虫信息素结合蛋白是气味结合蛋白家族的一种，在昆虫识别性信息素过程中起非常重要的作用。本文简 述了信息素结合蛋白的特征、信息素分子结合及释放机制、表达时间和生理功能等，并概述了目前信息素蛋白的研究 情况。 关键词：信息素结合蛋白；气味结合蛋白：信息素；昆虫 中图分类号Ｑ９６９ 文献标识码Ａ 文章编号１００７－７７３１（２００７）２３—１２８—０３ 昆虫是地球上物种量最为丰富的类群，已经记录的有 的表达主要在雄虫的触角中，有些雌虫触角中也有表达， ９３万多种，约占生物种类的３／４。在长期的选择进化过程 但是含量低于雄虫；具有很强的专一性，能够识别特定构 中，昆虫依赖嗅觉刺激来显示整个行为模式。在昆虫的整 型的信息素分子；ＰＢＰ的暑级结构对ｐＨ值的改变敏感，但 个生命周期中，大部分生命活动的重要环节都是受化学气 对热和尿素变性稳定。 味信息调节的，诸如交配、繁殖、寄主定向和选择，产卵场 ２ 昆虫信息素结合蛋白与信息素分子的结合与释 所的识别，告警和防御等。 放机制 昆虫的信息素由同种个体释放并引起其它个体行为 不同昆虫的信息素结合蛋白与信息素分子间的结合 反应的化学物质。随着昆虫行为学、生物化学、分子生物 与释放机制存在不同。Ｓａｎｄｉｅｒ等（２０００）通过ｘ一射线晶 学以及昆虫电生理技术的发展，越来越多的昆虫信息素成 体衍射对家蚕ＰＢＰ晶体结构分析表明，ＢｍｏｒＰＢＰ由６个ｄ 分被鉴定、合成和应用，人们迫切想要了解昆虫对信息素 一螺旋反相平行组成了一个烧瓶状的信息素结合兜，用来 物质的感受机制。越来越多的实验证明，昆虫的感器淋巴 特异性结合信息素。结合兜的一端由于螺旋的紧缩而变 液内存在着复杂的成分，它们在昆虫的嗅觉反应中起着重 得狭窄，而另一端则由２个二硫键（ｃｌ—ｃ３和ｃ２一ｃ５）固 要的作用。其中受到重视的是信息素结合蛋白（ｐｈｅｒｏ— 定的ｄ３螺旋覆盖，家蚕的性信息素蚕醇就特异性地结合 ｍｏｎｅ ｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ，ＰＢＰ）及一些酶类。 于疏水性的结台兜内。以后又发现在蜜蜂和蟑螂的触角 信息素结合蛋白是气味结合蛋白（ＯＢＰ）中的一大类， 以及在一种甲虫（Ｔｅｎｅｂｒｉｏ ｍｏｌｉｔｏｒ）的一个未知功能的血 它主要存在于雄虫触角中，感受昆虫的信息素，后来发现 淋巴ＯＢＰｓ上的研究发现，它们具有上述的相似结构，其 它也存在于雌虫触角内，其表达量一般少于雄虫，有少数 结合和释放机制与家蚕基本相同。 雌雄虫相当。信息素结合蛋白（ＰＢＰ）与信息素特异性结 Ｄａｍｂｅｒｇｅｒ等（２０００）利用流体核磁共振（ｓｏｌｕｔｉｏｎ 合，用来启动昆虫的寻偶和交配等行为。自从Ｖｏｇｔ和 ＮＭＲ）研究表明，ＢｍｏｒＰＢＰ在不同ｐＨ值条件下具有不同 Ｒｉｄｄｉｆｏｒｄ（１９８１）用标记性信息素的方法在多音大蚕蛾 的构型：当ｐＨ＜４．９时，ＢｍｏｒＰＢＰ为酸式构型，可将信息素 （Ａｎｔｈｅｒａｅａ ｐｏｌｙｐｈｅｍｕｓ）雄蛾触角中发现昆虫信息素结合 从嗅觉受体上释救；而当ｐＨ＞６．０时，ＢｍｏｒＰＢＰ为碱式构 蛋白以来，在很多种昆虫中都发现了信息素结合蛋白的存 型，能够结合信息素分子并将其运送到嗅觉受体处。进一 在，并迅速成为气味结合蛋白中一个最主要的研究内容。 步的研究表明ＢｍｏｒＰＢＰ构型的改变主要发生在Ｃ端区， １ 昆虫信息素结合蛋白的一般特点 在高ｐＨ值情况下，Ｃ端位于信息素结合蛋白的表面；而在 昆虫信息素结合蛋白是一类水溶性的酸性蛋白，多肽 低ｐＨ值时，Ｃ端形成第７个ｄ一螺旋并进入结台兜内，取 链全长约１２０—１６０个氨基酸，相对分子量较小，一般为ｌ５ 代了信息素分子的位置，将信息素分子逐出。 —１７ ｋＤ，等电点为４—５。昆虫气味结合蛋白在一级结构 动力学研究证明，多音大蚕蛾信息素结合蛋白可能存 上相似性不高，但是具有共同的保守结构域，而气味结合 在氧化一还原态问的转变，还原型的信息素结合蛋白作为 蛋白的三维结构却极其相似。每个序列中有６个保守的 载体，具有运输信息素的功能；而当信息素被运至神经元 半胱氨酸（Ｃｙｓ），形成３个二硫键（ｃｌ—ｃ３、ｃ２一ｃ５和ｃ４一 树突膜并同受体结合后，信息素结合蛋白变成具有清除信 ｃ６），在信息素结合蛋白的三级结构中起支撑作用；每个蛋 息素功能的氧化型。 白都包含６个 一螺旋和一个ＬＯＯＰ环，３个二硫键连接 对蜚蠊和舞毒蛾的信息素结合蛋白研究表明，它们的 着ｄ一螺旋，形成一个疏水的气味分子结合腔。这类蛋白 结合与释放机制与家蚕不同，并非由ｐＨ值和离子强度变 作者简介：钱荷英（１９７１一），江苏溧阳人，硕士，主要从事家蚕遗传育种一１＝二作。 收稿日期：２００７—１１—３０ 维普资讯 http://www.cqvip.com 安徽农学通报，Ａｎｈｕｉ Ａｇｒｉ．Ｓｃｉ．Ｂｕｌ１．２００７，１３（２３） １２９ 化来控制信息素与其结合蛋白的结合与释放。蜚蠊因缺 少第７个ａ一螺旋的ｃ端区，因此它的结合兜显示出很强 的亲水性，以此来适应亲水性的信息素。 个氨基酸残基，预测分子量为１８．５ｋＤ。该作者还对烟实 夜蛾ＰＢＰ３氨基酸与其它昆虫ＰＢＰ氨基酸作了系统发育 树，从中可以论证几种ＰＢＰ在遗传上的亲缘关系远近。 ３ 昆虫信息素结合蛋白的表达时间和定位 对舞毒蛾的实验显示，ＰＢＰ的合成始于羽化前３ｄ，在 家蚕的第一个信息素结合蛋白ＢｍＰＢＰ１由Ｍａｉｄａ等 于１９９３年发现。最近龚达平等（２００６）利用生物信息学方 法预测得到了两个家蚕信息素结合蛋白基因ＢｍＰＢＰ２和 接下来的２ｄ内达到很高浓度并保持到成虫死亡。用对 ＰＢＰ专一性的抗体进行超微结构研究，表明这些可溶性蛋 白集中在感器淋巴液内，神经元树突和触角的其它区域均 没有。在鳞翅目昆虫中，毛形感器与锥形感器经电生理学 研究证实，分别特异性地感受信息素分子和感受一般气味 分子。免疫细胞化学实验表明，ＰＢＰ专一性的存在于毛形 感器淋巴液内，而ＧＯＢＰ存在于锥形感器淋巴液内。这些 研究结果从ＰＢＰ的存在部位上证明了ＰＢＰ是信息素分子 的专一性结合蛋白。 ４ 昆虫信息素结合蛋白的生理功能 现有的文献表明，昆虫信息素结合蛋白有如下生理功 能：（１）信息素结合蛋白能特异性地结合和运输特定的信 息素分子，而对非信息素气味则不结合，即对进入感器腔 内的不同的气味分子起到过滤作用；（２）运输作用：信息 素结合蛋白作为载体助溶和运送疏水性的信息素穿过水 性的血淋巴（感器液），到达感觉神经元树突膜上的信息 素受体；（３）信息素结合蛋白与信息素形成复合物后，可 被信息素受体所识别；（４）信息素被受体识别并弓ｌ发级联 反应后，即被信息素结合蛋白分子结合并立即失活，以便 受体恢复敏感性；（５）从家蚕信息素结合蛋白的结构看， 烧瓶状的信息素结合兜具有保护信息素不被酶类降解的 作用。 ５ 昆虫信息素结合蛋白的研究进展 第一个被鉴定出的昆虫ＯＢＰｓ是多音大蚕蛾（Ａｎ— ｔｈｅｒａｅａ ｐｏｌｙｐｈｅｍｕｓ）的性外激素结合蛋白（ｐｈｅｒｏｍｏｎｅ ｂｉｎｄ－ ｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎｓ，ＰＢＰｓ），被命名为ＡｐｏｌＰＢＰ，分子量为１４ｋＤａ， 特异的存在于雄虫触角中，其浓度大约为ｌＯｍＭ。第一个 全长ＰＢＰ序列是从烟草天蛾（Ｍａｎｄｕｃａ Ｓｅｘｔａ）中得到的， 以后通过克隆和基因组分析在其雄性触角的ｃＤＮＡ文库 中鉴定出１３个ＯＢＰｓ。第一个功能明确的ＯＢＰ是黑尾果 蝇（Ｄｒｏｓｏｐｈｉｌａ ｍｅｌａｎｏｇａｓｔｅｒ）的ＯＢＰ７６ａ，不仅起传输气味分 子和调节气味分子与神经元的相互作用，还可能直接与受 体蛋白作用或者起激活受体蛋白的作用。随后通过克隆 和基因组分析，发现了果蝇（Ｄｒｏｓｏｐｈｉｌａ ｍｅｌａｎｏｇａｓｔｅｒ）有４９ 种ＯＢＰｓ基因，蚊子（Ａｎｏｐｈｅｌｅｓ ｇａｍｂｉａｅ）有６０多种，鳞翅 目昆虫烟草天蛾（ Ｓｅｘｔａ）有１９种，在烟芽夜蛾（Ｈｅ— ｌｉｏｔｈｉｓ ｖｉｒｅｓｃｅｎｓ）中现已鉴定出９个气味结合蛋白。 目前以及今后的很长一段时间里，从不同的昆虫中分 离、鉴定出信息素结合蛋白依然是重要的研究内容。刘晓 光（２００６）利用ＲＴ－－ＰＣＲ技术，首次从烟实夜蛾雄触角中 扩增得到了ＰＢＰ３基因，并进行了序列分析。通过在大肠 杆菌中的成功表达，获得了大量ＨａｓｓＰＢＰ３重组蛋白，并得 到烟实夜蛾ＰＢＰ３基因阅读框架，全长为４９５ｂｐ，编码１６４ ＢｍＰＢＰ３，分析了家蚕的３个ＰＢＰ基因和２个ＧＯＢＰ基因 的基因组结构，并使用半定量ＲＴ—ＰＣＲ方法检测了这两 个新的候选ＰＢＰ基因的组织表达情况，同时探讨了其在 昆虫ＯＢＰ中的进化关系。 由于在家蚕雄蛾的毛形感器内发现存在大量对性信 息素敏感的感受细胞，目前还没有在雌蛾的触角中发现类 似的感受细胞，而作者的实验结果表明ＰＢＰ２和ＰＢＰ３在 雄蛾和雌蛾中等量表达。因此推论家蚕ＰＢＰ在雌蛾中可 能起着与其他气味分子相作用的功能，也可能对自身性信 息素进行检测。那么家蚕ＰＢＰ２和ＰＢＰ３在雌蛾中到底起 什么作用还是一个值得继续探讨的问题。 １９９８年，对日本丽金龟和大阪异丽金龟ＰＢＰ的发现 和鉴定开创了鞘翅目昆虫信息素结合蛋白的鉴定。后来 利用克隆目标基因再异体表达的方法又得到了多种金龟 子的ＰＢＰ。 到目前为止，先后在鳞翅目、膜翅目、鞘翅目、双翅目、 网翅目、直翅目、等翅目和半翅目的化学感受器内鉴定出 很多与气味结合蛋白相关的蛋白（ＯＢＰ—ｒｅｌａｔｅｄ Ｐｒｏｔｅｉｎ ）。在同源蛋白家族数据库Ｐｆａｍ中已经可以检索到７５种 昆虫４００多种相关蛋白。通过对氨基酸序列比较，发现鳞 翅目昆虫的ＧＯＢＰ和ＰＢＰ的相似性在２５％一３０％，ＧＯＢＰ１ 和ＧＯＢＰ２之间的相似性大约为５０％，ＧＯＢＰ１和ＧＯＢＰ２ 是高度保守的（每一类群内的相似性在９０％以上），但是 ＰＢＰ则是高度分化的，相似性在２０％一９５％之间。 在重点对雄性信息素结合蛋白研究的同时，雌性信息 素结合蛋白及其功能也是一个非常有意义的研究方向。 这些研究不仅具有重要的理论意义，而且对于开辟有效的 行为技术防治害虫和利用益虫，例如研制对昆虫两性 均有吸弓ｌ力的高效引诱剂和阻断昆虫识别性信息素的信 息素嗅觉抑制剂，也具有非常重要的实践价值。 目前已经从１６００多种昆虫雌性信息腺中分离得到了 多种信息素，光是蛾类就有４００余种被发现，然而研究表 明组成这些信息素的成分却只有１００余种。有些信息素 的成分可在多种信息素中发现，甚至在许多昆虫中有完全 相同的信息素成分，只是比例不同而已，即昆虫共享性信 息素的现象非常普遍。如棉铃虫和烟青虫的性信息素主 要成分是顺一１ １一十六碳烯醛（Ｚ一１ｌ一１６：Ａｄ）和顺一９ 一十六碳酸醛（ｚ一９—１６：Ａｄ），这两种物质在棉铃虫中比 例是９７：３，而在烟青虫中的比例是７：９３。这２种昆虫的 ＰＢＰ同源性也很高，那么如此相似的ＰＢＰ是如何专一特异 地识别和结合仅是主要成分比例不同的信息素，研究发现 这２种昆虫的ＰＢＰ在第１００位后氨基酸的亲脂性要比其 维普资讯 http://www.cqvip.com １３０ 安徽农学通报，Ａｎｈｕｉ Ａ ．Ｓｃｉ．Ｂｕｌ１．２００７，１３（２３） 它昆虫强，推测可能是由于这段氨基酸序列的变化使结合 虫知识，２００５，４２（３）：２４０—２４３ 亲脂性气味物质的位点产生了不同。那么结合位点到底 ［３］修伟明，董双林，王荫长．昆虫信息素结合蛋白及其分子运输 发生了什么样的变化，又是如何作用的，这些问题都还要 机制和生理功能研究进展［Ｊ］．昆虫学报，２００５，４８（５）：７７８—７８４ 进一步研究。 ［４］龚达平，赵萍，林英等．家蚕信息素结合蛋白ＢｍＰＢＰ２和 ＢｍＰＢＰ３基因的初步鉴定及表达分析［Ｊ］．昆虫学报，２００６，４９ ６结语 （３）：３５５—３６２ 由于参与气味识别的蛋白种类很多，而且有些蛋白不 ［５］吴少英，王桂荣，吴孔明等．烟青虫气味结合蛋白基因的克隆与 止承担一种功能，因此关于各种蛋白功能及其相互之间如 序列分析［Ｊ］．中国农业科学，２００５，３８（９），１８１７—１８２４ 何协调作用的研究，尤其是对信号传导过程以及与昆虫动 ［６］刘晓光，安世恒，罗梅浩等．烟实夜蛾信息素结合蛋白３ｅＤＮＡ的 作电位产生有关的离子通道的详细了解显得尤为重要。 克隆、序列分析与原核表达［Ｊ］．昆虫学报，２００６，４９（５）：７３３— 所以，今后应该在明确这些嗅觉相关蛋白的生理生化特性 ７３９ 和功能的基础上，从它们的相互联系人手，研究昆虫对化 ［７］孙凡，王广利，赵奎军．金龟子嗅感器及嗅觉机理的研究进展 学信息的接受、信号传递、综合加工以及行为反应，这将有 ［Ｊ］．东北农业大学学报，２００７，３８（３）：４ｌ１—４１５ 助于人们昆虫间的通讯系统，最终达到控制害虫和利 ［８］周宏春，贾新民．昆虫感化器中的ＯＢＰ［Ｊ］．黑龙江八一农垦大 学学报，２０００，１２（２）：７—１２ 用益虫的目的。 ［９］穆兰芳，董双林，修伟明．无脊椎动物是怎样感受外界化学信号 今后关于信息素结合蛋白的的研究除要扩展范围外， 的［Ｊ］．自然杂志，２００４，２６（５）：３０５—３０９ 还应继续进行气味结合蛋白基因的表达研究，从中获得足 ［１Ｏ］Ｖｏｇｔ ＲＧ，Ｒｉｄｄｉｆｏｒｄ ＬＭ．Ｐｈｅｒｏｍｏｎｅ ｂｉｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｉｎａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｂｙ 够的晶体蛋白用于研究蛋白的空间构象与功能的一致性， ｍｏｔｈ ａｎｔｅｎｎａｅ．Ｎａｔｕｒｅ，１９８ｌ，２９３：１６１—１６３ 制备抗体，用原位杂交和免疫定位的方法研究气味结合蛋 ［１１］Ｖｏｇｔ ＲＧ，Ｋｏｅｈｎｅ ＡＣ，Ｄｕｂｎａｕ ＪＴ，Ｐｒｅｓｔｗｉｃｈ ＧＤ．Ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ 白分布和功能的关系而从中获得足够的晶体蛋白用于研 ｐｈｅｒｏｍｏｎｅ ｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｄｕｒｉｎｇ ａｎｔｅｎｎａｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｇｙｐｓｙ 究。探索昆虫对外界气味的分子识别机制，不仅有利于阐 ｍｏｔｈ Ｌｙｍａｎｔｒｉａ ｄｉｓｐａｒ．Ｊ．Ｎｅｕｒｏｓｃｉ．１９８９（９）：３３３２—３３４６ 明昆虫的行为反应的本质原因，而且为研究无脊椎和脊椎 ［１２］Ｋｒｉｅｇｅｒ Ｊ，ｙｏｎ Ｎｉｅｋｉｓｃｈ ＲＥ，ＭａｍｅｌｉＭ，ｅ１．Ｂｉｎｄｉｎｇｐｒｏｔｅｉｎｓｆｒｏｍｔｈｅ 动物的嗅觉行为提供了理想模型，也有利于研究人的嗅觉 ａｎ ｔｅｎｎａｅ ｏｆ Ｂｏｍｂｙｘ ｍｏｒｉ．Ｉｎｓｅｃｔ Ｂｉｏｃｈｅｍ．Ｍｏ１．Ｂｉｏ１．１９９６，２６（３）： ２９７—３０７ 机制。 ［１３］Ｌｅａｌ Ｗ Ｓ，Ｎｉｋｏｎｏｖａ Ｌ，Ｐｅｎｇ Ｇ．，Ｄｉｓｕｌｉｆｄｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｅｒｏ； 参考文献 ｍｏｎｅ ｂｉｎｄｉｎｇ ｐｒｏｔｅｉｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｉｌｋｗｏｒｍ ｍｏｔｈ．Ｂｏｍｂｙｘ ｍｏｉｌ．ＦＥＢＳ ［１］李卫华，涂洪涛，苗雪霞等．昆虫嗅觉相关蛋白的研究进展［Ｊ］． Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９９９，４６８：８５—９０ 昆虫知识，２００６，４３（６）：７５７—７６２ （责编：曹阿翔，卢申） ［２］朱彬彬，姜勇，雷朝亮．昆虫信息素结合蛋白的研究概况［Ｊ］昆 认真研讨品种改良技术全面提升我省粮食生产能力 ——省作物学会召开《安徽省农作物遗传改良及分子设计学术研讨会》 ２００７年安徽省科协年会——作物分会场《安徽省农 省农委农业局负责同志到会指导并讲话。会议收到交流 作物遗传改良及分子设计学术研讨会》，２００７年１ １月２９ 论文７０篇，大会墙报１５份（重点论文统一制作成２００ｃｍ 日在合肥省农科院科技交流中心召开。本次专题活动由 ×８０喷绘墙报），学会建议２份。 省科协主办，安徽省作物学会承办，安徽省农作物品质改 活动除组织特邀专家大会学术报告外，还组织参观农 良重点实验室、安徽省水稻遗传育种重点实验室协办。来 业部（合肥）转基因生物产品监督检测中心、农科院科技 自全省作物学会及兄弟学会会员、农业科技工作者、种业 成果展示厅、参加重点实验室学术活动，对接参加“安徽现 公司、农业院校师生２００余人参加。 代农业博士科技论坛”一专题分会场活动。整个活动准备 本次活动围绕作物遗传改良、杂优利用、作物细胞Ｔ 充分、紧扣主题、环环有序、内容丰富，收到了很好的预期 程、分子标记、基因操作、作物基因组学、离子束生物工程、 效果。 核技术与生物Ｔ程育种、品质分析检测、转基因生物产品 本次会议紧跟作物品种改良、研究应用与分子生物技 检验测试技术等内容进行交流。全面总结、交流作物品种 术的最新成果和发展形势，服务省提出的小麦高产攻 改良研究应用与作物生物技术的最新成就，探讨分析国内 关、水稻提升行动两大科技行动，对进一步提高我省农作 外最新动态与发展趋势，为我省粮食生产的又好又快发展 物品种选育成效和粮食作物生产能力，保证粮食安全及社 献计献策。 会主义新农村建设具有重要意义。学会提出的《关于加强 中国水稻研究所、国家水稻生物学重点实验室主任钱 科技创新，大力提升我省玉米生产能力的建议》、《安徽省 前研究员、江苏省农科院遗传生理研究所陆维忠研究员、 粮食生产的波动性分析与建议》等两项建议将上报省 华南农业大学农学院院长张桂权教授等５名省内外专家 科协审议后转呈科技与农业主管部门，供指导我省粮 大会报告，省科协程荣朝副、省政协常委程剑研究员、 食生产参考。（省作物学会秘书处２００７年ｌ２月１４ １３）
