昆虫体内的天然屏障_围食膜

The natural barrier in insects-peritrophic membrane
JIANG Shantong，MAO Langyong，LIU Xiaoyong，YAO Qin，CHEN Keping
（ Institute of Life Sciences，Jiangsu University，Zhenjiang 212013 ，China）
018B） 基金项目： 国家基础研究项目 （ 2012CB114604 ） ； 转基因生物培育重点项目（ 2009ZX08012Email： jajst2008@ yahoo． cn； 作者简介： 姜姗彤（ 1986 － ） ， 女， 汉族， 硕士， 专业方向： 家蚕蛋白质组学， mail： kpchen@ ujs． edu． cn。 通讯作者： 陈克平（ 1960 － ） ， 男， 汉族， 研究员， 专业方向： 蛋白质组及转基因对食品及环境安全性，E-
生 物 学 杂 志 Vol． 29 No． 4 Aug， 2012 JOURNAL OF BIOLOGY
第 29 卷第 4 期 2012 年 8 月
doi∶10. 3969 / j. issn. 2095 － 1736. 2012. 04. 070
收稿日期： 2011 － 12 － 20 ； 修回日期： 2012 － 01 － 29
层重叠管状结构 ； Ⅱ 型围食膜常见于革翅目 、 鳞翅目 、 ， 等翅目及双翅目昆虫 其是由位于中肠前端贲门的特 殊细胞向肠腔分泌生成的单一管状薄膜结构 。 与 Ⅰ 型 ［3 ］ 围食膜相比 ， Ⅱ 型围食膜的结构更加规则有序 。 1. 1 昆虫围食膜的组分 围食膜是由几丁质 、 蛋白质和多糖组成的复合物 ， 几丁质构成围食膜的骨架 ， 多数的蛋白质与糖结合以 糖蛋白或蛋白多糖的形式存在 ， 而糖是围食膜半渗透 ［4 ］ 性以及致密性的主要因素 。 D几丁质是由 N乙酰 葡糖胺在几丁质合成酶的 1， 4 糖苷键聚合形成的线性同聚体聚 作用下 ， 通过 β合物， 由 α、 β 和 γ 三种结晶形态以随即交错 、 正交方 ［5 ］ 式或者蜂巢式排列形成几丁质纤维 。 几丁质在不同 昆虫中 含 量 不 同 ， 一 般 为 3% ～ 13% ， 但在烟草天蛾
44 、 peritrophin48 和 per围 食 膜 蛋 白 peritrophinitrophin95 是从铜绿蝇幼虫围食膜中提取分离出来的 ， AgAper1 蛋白是从雌性疟蚊成虫的围食膜中分离得到 的， 这些围食膜蛋白都含有由 65 ～ 70 个氨基酸残基组 A 的相关区域 ， 成的称为 peritrophin这一区域 含 有 6 X13 － 20 CX5 － 6 个半胱氨酸残 基 组 成 的 保 守 的 结 构 域 CCX9 － 19 CX10 － 14 CX4 － 14 C 以 及 若 干 个 芳 香 族 氨 基 酸 残 基 。研究发现这一区域对围食膜结构的保持以及围 食膜孔径的大小具有重要作用 ， 推测此结构域是重要 ［10 ］ 。 的几丁质结合功能域 30 和 peritrophin55 是在铜 围食膜蛋白 peritrophin绿蝇围 食 膜 中 发 现 的 ， 这 两 种 蛋 白 都 含 有 CX12 － 13 CX20 － 21 CX10 CX12 CX2 CX8 CX7 － 12 C 结构域 ， 因为其序列与 peritrophinA 具有同源性 ， B 所以将其称为 peritrophin［11 ］ 区域 。 15 和 peritrophin42 含有与 围食膜蛋白 peritrophinperitrophinA 不 同 的 区 域 CX8 － 9 CX17 － 21 CX10 － 11 CX12 － 13 CX11 C ， C 区域 。 该区域中保守的半 称之为 peritrophin胱氨酸残基形成蛋白内部的二硫键结构以利于蛋白质 ［12 ］ 在富含消化水解酶的中肠环境中能够保持稳定性 。 IIM 是一种在粉纹夜蛾幼虫围食膜中发现的紧密 结合于围食膜上的粘液样糖蛋白 ， 与哺乳动物消化道 该蛋白能够阻止微生物侵入 ， 具 中的粘蛋白功能类似 ， ［13 ］ 有润滑肠道 、 选择性吸收与解毒的功能 。 P43 和 BmPMP41 是在家蚕围 围食膜蛋白 BmPM食膜中发现的 ， 其蛋白序列 C － 端都含有由 5 个半胱 氨酸残基组成的结构域 ， 与之前发现的围食膜蛋白不 其序列中含有的类似几丁质去乙酰化酶结构 同的是 ， 域取代了特征性的围食膜结构域 ， 推测它们属于一类 ［14 ］ 新型的几丁质结合蛋白家族 。 3 昆虫围食膜的功能 3. 1 机械保护和外源物入侵的屏障 作为昆虫体内抵御外源性物质的第一道天然屏 围食膜最常见的功能就是抵挡病毒细菌等病原体 障， 的侵入以及保护中肠上皮细胞不受粗糙食物颗粒所造 成的机械损伤 。 由于围食膜具有如此重要的生理功 能， 各种病原体常把围食膜作为其入侵昆虫体内的位 点， 例如一些鳞翅目昆虫幼虫被病毒感染后其围食膜 ［15 ］ 受到破坏致使屏障作用消失 。 围食膜具有抗氧化剂的功能 ， 能够减少食物中潜 在的有毒氧化剂的毒性 ， 同时 ， 围食膜可以与摄取的植 ， 物中的有毒物质相结合 阻止不消化物质与肠道表面 ［16 ］ 转运蛋白结合 ， 抵御食物中化学毒素的侵入 。 3. 2 选择通透性 昆虫围食膜不是一个简单的超滤器 ， 而是一种选 择性的渗透屏障 ， 因此酶类和经消化的小分子可以自
— — 围食膜 昆虫体内的天然屏障 —
姜姗彤，毛浪勇，刘晓勇，姚 勤，陈克平
（ 江苏大学生命科学研究院， 江苏镇江 212013 ）
摘 要： 昆虫围食膜是由昆虫中肠上皮细胞分泌的非细胞薄膜状结构 ， 主要成份是几丁质、 蛋白质和多糖， 是昆虫抵
御外界侵害的第一道天然屏障 ， 能够保护中肠上皮细胞不受机械损伤并且能够抵御病毒 、 细菌及其他有害物质 ， 防 止化学损伤。昆虫病毒增效蛋白、 荧光增白剂和几丁质酶等生物防治促进因子通过与围食膜上特异位点的结合 ， 能 够破坏围食膜结构， 加速病原微生物对害虫的感染进程 。就围食膜组分、 结构、 功能以及与害虫防治的关系等方面 ， 。 的研究进展进行综述 并且论述了以围食膜为害虫生物防治靶标的应用前景 中图分类号： Q964 关键词： 昆虫； 围食膜； 功能； 围食膜蛋白； 害虫防治 文献标识码： A 文章编号： 2095 － 1736 （ 2012 ） 04 － 0070 － 04
Abstract ： The peritrophic membrane （ PM） of insect is a noncellular membranelike structure with uniform thickness，which is secreted by the insect midgut cell and extends from the front of the midgut to the hindgut． The main components of PM are chitin，protein and polysaccharide． PM of insects serves as the first defense line in midgut to resist microorganisms such as viruses，bacteria and other pathogens，and protect the epithelial cells from mechanical damages． Biocontrolpromoting factors，such as baculovirus enhancin，calcofluor and chitinase，can destroy PM's structure and facilitate infection of pathogens to pest insects by binding with PM components specifically． This paper describes the structure， composition and functions of PM， and reviews the future prospects of new midgut targeting strategies for control of pest insects． Keywords： insects； peritrophic membrane； function； peritrophic membrane protein； control of pest insects
围食膜 （ peritrophic membrane，PM ） 是一种由昆虫 中肠上皮细胞分泌的半透过性的 、 具有一定弹性及韧 性的非细胞薄膜状结构 ， 从中肠一直延伸到后肠 。 除 广翅目、 虱目等少数几种昆虫以外 ， 围食膜在绝大多数 ［1 ］ 昆虫中都广泛存在 。由于围食膜是昆虫抵御外界侵 害的第一道天然屏障 ， 目前的研究广泛集中在以围食 膜作为害虫生物防治的靶标 。本文针对昆虫围食膜的 生理功能以及与害虫防治的关系等方面进 结构组分 、 行综述 ， 并且论述了以围食膜为害虫生物防治靶标的 应用前景。 1 昆虫围食膜的组成与结构 ［2 ］ 根据围食膜的形成方式可将其分为两类 ： Ⅰ 型 和 Ⅱ 型。Ⅰ 型围食膜多见于一些直翅目昆虫和鳞翅目 幼虫中 ， 是由昆虫中肠上皮细胞分泌到肠腔形成的多
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生 物 学 杂 志 Βιβλιοθήκη Baiduol． 29 No． 4 2012 Aug， JOURNAL OF BIOLOGY
第 29 卷第 4 期 2012 年 8 月
（ Manduca sexta） 幼虫围食膜内则高达 40% ［6］。 蛋白质在围食膜中含量最高 ， 约占围食膜的 35% ～ 55% ， 在不同昆虫围食膜中其数目也存在很大差异 ， ［6 ］ Ⅰ型围食膜中蛋白质种类从 2 ～ 30 种不等 ， 而在 Ⅱ ［3 ］ 型围食膜中则只有 5 ～ 15 种左右 。 围食膜中蛋白成 粘蛋白和糖蛋白等形式存在 。 粘蛋白 分多以蛋白质 、 缠绕的结构 ， 而其 包含的多糖侧链可以形成高度伸展 、 上的亲水性糖基以及硫酸根离子 ， 能够吸收大量的水 并且保证围食膜结构的渗透性 。水溶性粘蛋白具有较 同时几丁质微纤丝具有较强的弹力 ， 强的抗挤压能力 ， 这对于保持围食膜的韧性 、 维持围食膜的通透性具有 。 坚韧性 决定性作用 糖蛋白对于围食膜的半渗透性 、 ［1 ］ 和致密性具有重要作用 。 糖的含量对于围食膜结构的致密性是非常重要 不同种类昆虫中糖含量的多少也是不同的 ， 在甜菜 的， 夜蛾 （ Spodoptera exigua ） 幼 虫 围 食 膜 中 糖 含 量 为 2. 05% ［7］， 而在华北大黑鳃金龟 （ Holotrichia oblita ） 幼 ［8 ］ 虫围食膜中则为 8. 91% 。 1. 2 昆虫围食膜的结构 X 射线衍射分析和外源凝集素结合实验表明围食 10 根几丁质 膜由几丁质微纤丝构成。 大多数情况下 ， 微纤丝为 1 组以平行排列的方式形成束状微纤丝束 ， 同时这些几丁质微纤丝束以 60 度或 90 度角纵横交错 蛋白质和碳水化合物填补在网格的空 形成网格结构 ， ［9 ］ 隙中 。 2 昆虫围食膜蛋白因子的研究 围食膜蛋白按照其与围食膜连接的紧密程度可以 分为 4 类： 1 ） 附着于围食膜上并且用生理盐水或高离 子强度缓冲液能够洗脱的蛋白质 ； 2 ） 用两性离子去垢 剂等温和类的洗涤剂能够洗脱的蛋白质 ； 3 ） 非共价结 合于围食膜上并且必须用 SDS 、 尿素 、 盐酸胍等强变性 含量最多 ； 4 ） 共价结合于围 剂才能够提取的蛋白质 ， 食膜上并且使用上述三种条件都不能分离的蛋白质 。 到目前为止， 已经分离鉴定的围食膜蛋白均属于第 3 ［1 ， 3 ］ ， 类， 这类蛋白统称为围食膜因子 （ Peritrophin ） 主 44 、 peritrophin48 、 peritrophin95 、 per要包括 peritrophinperitrophin55 、 peritrophin15 、 peritrophin42 、 itrophin30 、 AgAper1 、 IIM 昆 虫 肠 粘 蛋 白 （ Insect Intestinal Mucin， ）、 BmPMP43 和 BmPMP41 等 ， 这些鉴定到的围食膜 因子属于以下种属的昆虫幼虫和成虫 ： 粉纹夜蛾 、 甜菜 夜蛾 、 小菜蛾 （ Plutella xylostella ） 、 家蚕 （ Bombyx mori ） 、 铜绿 蝇 （ Lucilia cuprina ） 、 蛆 症 金 蝇 （ Chrysomya bezziana） 、 舌蝇 （ Glossina morsitans ） 、 疟蚊 （ Anopheles gambiae） 、 小麦瘿蚊 （ Hessian fly ） 、 粘虫 （ Mamestra configurata） 、 棉铃虫 （ Helicoverpa armigera ） 和草地螟 （ Loxostege sticticalis） 。