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昆虫CYP450基因

已有 5501 次阅读 2017-4-10 09:28 |个人分类:昆虫基因组学|系统分类:科研笔记| 基因组, 昆虫, cyp450

  昆虫在长期的进化历程中,为适应植物中有毒次生物质,产生了一套巧妙的适应机制:通过窃听植物的分子信号,在植物有毒物质积累之前或同时,利用植物的信号物质诱导活化自身解毒酶活性,达到提早武装自己以免遭受食物中有毒物质侵害的目的。这种解毒机制中到底是什么基因在起作用呢?研究表明,昆虫具有三大解毒酶系:细胞色素P450酶、谷胱甘肽转移酶和乙酰胆碱酯酶。今天我们聊聊当中的细胞色素P450酶(简称P450)。

    P450是多功能氧化酶系的重要组成成分,广泛分布于动物、植物及微生物等不同的种群中。P450在昆虫体内执行着许多重要的功能,兼备氧化酶和单加氧酶功能,不仅可以催化内源性物质的生物合成和降解,维持生物体的正常功能,还可以针对外源性物质(如杀虫剂、植物次生物质)起到解毒与活化作用(有毒物质进入昆虫体内,昆虫体内有多种防御机能,能将有毒物质迅速代谢为无毒物质,使机体保持正常状态而不受其害,这种代谢称为解毒作用;而有些化合物在生物体内,经代谢转化成比原化合物更毒的物质,这种代谢称为活化作用)。此外,P450的作用还涉及昆虫生长、发育、取食等过程,参与蜕皮激素代谢,决定了昆虫的宿主范围等等。总之,P450在昆虫的生长发育和对环境的适应性方面起到重要作用。      

  P450介导的代谢解毒机制可能是因为酶量的增加,也可能是由于酶结构的变化引起的酶解毒活性的增强。基因组水平上的基因拷贝数的增加,以及转录组水平上的基因上调表达,均可以导致酶量的增加。

Table 1. Fold change in expression of selected metabolic enzymes P450s and a carboxylesterase (CE)), EF1a, and para in the pyriproxyfen resistant Trialeurodes vaporariorum strain TV8pyrsel (compared to the standard susceptible strain TV1) determined by quantitative PCR and microarray technology.


      昆虫P450主要分布于外源化合物进入虫体内的入口组织,例如中肠、脂肪体和马氏管,其表达与昆虫的发育阶段、性别、组织、品系及取食有关。P450基因具有多样性。P450基因不仅数量上比谷胱甘肽转移酶和羧酸酯酶基因多,而且同一昆虫内也存在多种P450基因。

      P450基因已经有35亿年的历史,均来自一个共同的古老的基因,目前认为当前P450超家族是通过基因扩增或基因适应多样化形成的。昆虫在从共同祖先分化后,P450基因在各自基因组中产生了种属特异性扩张,这与昆虫在生活史、生态学及社会行为学方面的主要变化相一致。根据文献报道,蜜蜂的代谢抗性相关的基因家族基因数量上相对于果蝇、冈比亚按蚊均明显减少,这可能与蜜蜂高度社会性群居及其相关的生活行为有关。和果蝇、冈比亚按蚊相比,蜜蜂存在较多的气味受体,可能在功能上弥补了P450基因的缺失。同时,蜜蜂的清洁行为,以及蜂王浆和蜂胶的抗细菌特性,加上蜂群有像城堡一样的结构,使得蜜蜂不需要蚊虫和果蝇那么多的抗病和免疫基因。伊蚊和赤拟谷盗中P450数量激增,也应与它们生存的环境和取食对象多变有关。

Table 2. Detoxification- and digestion-related genes in    several insect species with available genomes were              investigated for Acyrthosiphon pisum

D.m,Drosophila melanogaster; A.g, Anopheles gambiae; A.a, Aedes aegypti; C.q, Culex quinquefasciatus; A.m, Apis mellifera; N.v,Nasonia vitripennis; T.c, Tribolium castaneum; B.m, Bombyx mori; A. p, Acyrthosiphon pisum.

      昆虫 P450 酶是一类含有500个氨基酸左右的蛋白质,尽管细胞色素家族成员之间一级结构差异较大,氨基酸序列相似性很低,有时低于20%,仅有3个氨基酸完全保守,但越来越多的P450晶体结构显示,这种高度变异性并不排除在不同的P450蛋白酶之间存在高度保守的普通拓扑图和结构折叠。

Figure 1. Cyp301a1 is a conserved insect P450

     昆虫P450在基因组中大多成簇排列,少数分散在不同的染色体中。P450家族中普遍存在假基因,例如,果蝇中有4个,冈比亚按蚊中有7个, 伊蚊中有6个, 赤拟谷盗中有10个, 西方蜜蜂中2个,家蚕中有6个,而且这些假基因主要分布在基因簇中。

      可按相似度对P450基因进行分类,如果相似度达到40%以上归为同一家族,相似度达到55%以上归为同一亚家族。进化层面上,昆虫CYP450可以划分为4个进化枝:线粒体、CYP2、CYP3和CYP4。可以通过利用HMMER3软件将序列比对到PFAM数据库CYP450家族的方法进行鉴定。

Figure 2. The 54 full-length cytochrome P450 genes predicted in the Hypothenemus hampei genome clustered with Drosophila melanogaster genes representing the four insect clades: CYP2, CYP3, CYP4, and mitochondrial.

      目前,在分子水平上众多学者围绕P450全长序列的鉴定分类,表达调控,信号肽、SNP、motif以及甲基化等方向进行深入探讨。我们期待着更多重大成果的发布,为昆虫抗性机制的研究、抗性监测以及抗性治理提供理论基础和实验依据。

参考文献:

Karatolos N, Williamson MS, Denholm I, Gorman K, ffrench-Constant RH, Bass C. Over-Expression of a Cytochrome P450 Is Associated with Resistance to Pyriproxyfen in the Greenhouse Whitefly Trialeurodes vaporariorum. Smagghe G, ed. PLoS ONE. 2012;7(2):e31077.

Sztal T, Chung H, Berger S, Currie PD, Batterham P, Daborn PJ. A Cytochrome P450 Conserved in Insects Is Involved in Cuticle Formation. Dearden PK, ed. PLoS ONE. 2012;7(5):e36544.

Vega FE, Brown SM, Chen H, et al. Draft genome of the most devastating insect pest of coffee worldwide: the coffee berry borer, Hypothenemus hampei.Scientific Reports. 2015;5:12525.

Mahmood K, Højland DH, Asp T, Kristensen M. Transcriptome Analysis of an Insecticide Resistant Housefly Strain: Insights about SNPs and Regulatory Elements in Cytochrome P450 Genes. Qiu X, ed. PLoS ONE. 2016;11(3):e0151434. 转载自印迹生物公众号,请大家多多关注



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