蛋白质组学技术在昆虫研究中的应用

1、蛋白质组学技术在昆虫研究中的应用摘要：蛋白质组学作为后基因组学时代研究的一个重要内容，已广泛深入到生命科学和医药学的各个领域，其理论和技术的发展完善也为昆虫学研究带来了新的思维方式和研究方向。本文详细综述了蛋白质组学技术在昆虫发育生物学、毒力学、免疫学、行为学以及媒介昆虫等方面的应用状况，并为其发展趋势做出展望。关键字：蛋白质组学；昆虫；应用The application of proteomics in insect researchAbstract:As an important part of post-genomics era, proteomics research has exte

2、nsive life sciences and medicine to all fields. Developing and improving its theory and technology has bro-ught new ways of thinking and research directions for entomological research. This paper reviews the status of its application in insect developmental biology, drug mechanics, immunology, behav

3、-ioral science, vector insects and make prospects for its development trend.Key words:proteomics;insect;applcation近年来，随着人类基因组学计划的逐步成熟，分子水平的实验技术不断发展，蛋白质组学的研究也被提高到了前所未有的新高度。目前许多物种的基因组已实现成功测序，但简单的DNA序列并不能接受蛋白质的表达，传统的单个蛋白质研究也无法满足后基因组时代的需求，因此蛋白质组学必将成为研究热点。本文旨在为蛋白质组学的产生和发展，以及其在昆虫中的应用做一个简单综述，为其以后发展做出新的展望1-

4、2。1 蛋白质组学的产生和发展蛋白质组（proteome）这个概念是由Wilkins3和Williams等在1994年意大利的一次科学会议上的首次提出，该英文词汇由蛋白质的“prote”和基因组的“ome”拼接而成，并最初定义为“一个基因组所表达的蛋白质”。蛋白质组学是一门大规模、高通量、系统化的研究某一类型细胞、组织或体液中的所有蛋白质组成及其功能的新兴学科。虽然基因决定蛋白质的水平，但是基因表达的水平并不能代表细胞内活性蛋白的水平，蛋白质组学分析是对蛋白质翻译和修饰水平等研究的一种补充，是全面了解基因组表达的一种必不可少的手段4。其中双向电泳（Two-Dimensional eletrop

5、horesis,2-DE）凭借其高分辨率、高灵敏度以及能将数千种蛋白质同时分离与展示的特点成为蛋白质组学研究的关键核心技术之一5。经过短短几年的发展，蛋白质组学技术已经比较成熟和完善，并广泛应用于生物学的各个领域，在昆虫中的应用也非常普遍2。目前已有4种昆虫的全基因序列先后完成：黑腹果蝇Drosophila melanogaster6，冈比亚按蚊Anopheles gambiae7，家蚕Bombyxmori8，意大利蜜蜂Apis melliifera9，蛋白质组学在这些模式昆虫中研究也相继开展。2 在昆虫研究中的应用迄今为止，果蝇仍然是真核生物研究所用的最为广泛的材料之一，由于它具有遗传背景清

6、晰、周期短、繁殖能力强、行为多样化等特点，成为动物生命活动研究的良好模型。2.1 昆虫发育生物学上的应用2000年，果蝇基因组测序完成为果蝇研究开辟了更为广泛的空间，通过生物信息学的方法，可以从复杂基因组序列中测序出编码果蝇蛋白质的全部基因，并且利用芯片等技术对不同的生理状态下果蝇基因的活动情况进行了大规模的筛查2-4。但是，人们也同时意识到，没有对蛋白质水平进行大规模的分析，是无法了解果蝇生命的全过程。Tian-Ren Lee10等人采用蛋白质组技术手段研究了果蝇头部图谱，为了便于比较，建成交互式数据库系统界面，并分析不同条件下人类疾病的果蝇模型。证实了基本头部蛋白质组数据库及生物信息学分析

7、，将为进一步阐明生物提供了有效机制，如记忆的形成和神经退行性疾病。2012年，Dorota F. Zielinska11等人利用蛋白质组学技术在N-糖基化位点百分比物之间的进化分歧进行探讨。Rena A.S. Robinson12等学者进一步探讨了老化过程中，果蝇蛋白质组测量值与温度的变化关系。一方面CK McPhee13等人利用蛋白质组学的技术手段，研究果蝇唾腺细胞死亡的因素以及功能鉴定。表明泛素-蛋白酶体系统（UPS）功能正常唾液腺细胞中减少死亡，而在唾液腺细胞蛋白酶体功能障碍早期异位导致DNA断裂和唾液腺凝结在体内。Najeeb U Siddiqui14等学者进一步纯化的原始生殖细胞从果

8、蝇胚胎，其定义和蛋白质转录，并评估了内容，规模和他们的MZT的动态。实现特定类型的转录物编码的蛋白质生物功能群分为九个不同的表达谱，反映在转录协调控制和转录后水平。另一方面，蛋白质组学作为复杂的生物样品中的蛋白的综合特性，Dariusz Leszczynski15等学者，在2013的研究中，提供了对MS-蛋白质组学当前状态的看法，并专注于新兴技术在三个方面：（1）新的仪器分析方法；（2）新的计算方法为肽的识别；（3）无标记定量。这些新兴技术应该成为研究人员试图更好地了解辐射对生物系统的生物效应价值。此外蛋白质组学的研究在果蝇以外的其他昆虫中，也得到了前所未有的发展。Lvgao Qin16等人对

9、鳞翅目蚕蛾科雄性和雌性家蚕中肠中比较并分析了其蛋白质组学成分。Jian-ying Li17等学者对家蚕中部丝腺的比较蛋白质组学分析揭示了核糖体合成丝蛋白的生产的重要性。Fan Feng18等人比较蛋白质组学分析揭示了饮食高糖对家蚕中肠生长的抑制作用。Zuoming Nie19等学者综合分析表明，赖氨酸乙酰化的普遍功能是由蛋白质乙酰化调控家蚕。Xiao-wu Zhong20等人基于蛋白质组学探究了家蚕体内的的马氏管。Yan Zhang21等学者进一步对家蚕成虫睾丸的蛋白质组学进行了分析。Shao-hua Wang22等进一步探讨了定量蛋白质组学及其在家蚕低丝绸生产相关的分子机制的转录组分析。Ai

10、juan Zheng23等人初次对意大利蜜蜂蛹头的蛋白质组学进行分析。Yu Fang24等进一步对成虫蜜蜂的雄蜂、工蜂和蜂后的触角蛋白质组进行差异比较。Mao Feng25等探究了两种不同蜜蜂，东方和西方蜜蜂的血淋巴蛋白质组的变化发展过程的生物学差异。2.2 昆虫遗传学上的应用在果蝇的遗传分析已广泛用于识别系统的基因在胰岛素和营养控制细胞生长。许多这些基因编码组件胰岛素受体的/雷帕霉素靶蛋白通路。然而，生化环境这种监管体制仍然很差的特点，Timo Glatter26等人提出的第一个定量研究的特点，系统的模块化和激素敏感性相互作用的蛋白质组学的潜在增长控制的动态智能降噪/ TOR途径。应用定量亲

11、和纯化和质谱分析，确定了97个高可信度的蛋白质的相互作用58网络组件之间。在所有的相互作用中，发现22%是由胰岛素调节的影响近膜以及细胞内的信号转导复合体。Suresh K. Narayanasamy27等人研究证实了百草枯和SOD2基因沉默对果蝇的羰基化蛋白的蛋白质有不同的影响。Elaine C. Rettie 1 and Steve Dorus28等学者总结精子基因的分子进化特征，并突出表明其精子功能和竞争能力的进化对于新基因创造的重要性。同时还提供了配套的果蝇和小鼠精子蛋白质组之间的整体功能的保护。这种分析揭示了蛋白水解途径中所起的作用，以及补体和先天免疫系统的蛋白质的存在。Reza Z

12、areie29等初步探究了蜜蜂高质量精子长期存活的蛋白质组分。Desalegn Begna30等学者通过线粒体蛋白质表达差异对意大利蜜蜂中，蜂王和工蜂幼虫的等级测定。Ting Ji 31等采用蛋白质组学分析揭示了在蜜蜂咽下腺活性的蛋白表达差异。2.3 昆虫免疫学上的应用全球定量蛋白质组学研究揭示了果蝇的蜕皮激素信号通路的新因素，蜕皮激素作用被证实的最新进展在很大程度上依赖于在分子遗传工具在果蝇中的应用。Karen A. Sap32等人采用一个综合SILAC质谱定量研究全球，一个果蝇动态蛋白质组细胞系，探讨激素信号转导到特定的细胞反应。2012年，Joseph E. Faust33等学者分析了果

13、蝇的蛋白质组鉴定参与过氧化物酶体的生物合成的蛋白质和平衡以及代谢酶的功能，证实了果蝇利用过氧化物酶体定位信号（PTS）1型系统矩阵蛋白质输入。这项工作将对人类进一步理解和增加过氧化物酶体在果蝇这种新兴的模式系统的实用性。Yan Zhang34等人初步探究了家蚕幼虫血淋巴在蛋白质组中贮藏的养分和相关的免疫蛋白。Sylvie Cornelie35等学者通过唾液腺蛋白质组分析揭示了，在不敏感乙酰胆碱酯酶抗冈比亚按蚊按蚊独特蛋白调制。2.4 昆虫毒理学上的应用Jiqiao Fan36等学者采用毒素处理家蚕血细胞并进行蛋白质组学比较分析，其结果显示，一共有47个不同的表达进行检测，并22蛋白在26点蛋白

14、质点进行了鉴定。有八个免疫相关蛋白质，其中包括三个下调的蛋白质和五个上调蛋白。He X137等人家探究了蚕细胞（家蚕）在对感染的反应与家蚕微孢子虫的蛋白质组学分析。Li M1等学者初步检测了家蚕肠细胞蛋白与传染性软化病病毒基因组RNA的5'端相互作用的蛋白质组分析。Xiaolong Hu38等专家进一步分析了当家蚕核型多角体病毒感染时蛋白质组学的消化液成分。T. C. Roat39等对非洲化蜜蜂脑蛋白质修饰暴露于亚致死剂量的杀虫剂氟虫腈中的差异变化。Rongli Li40等首次分析了蛋白质的磷酸化、蜜蜂电刺激和毒腺手动提取收集毒液。Cyril Vidau41等学者从东方蜜蜂微孢子虫感染

15、蜜蜂中肠差异蛋白质组学，分析揭示了关键主要的功能操作。2.5 昆虫行为学上的应用行为学概念的提出，为解释昆虫的本能提供了有效的途径，近年来已成为昆虫界的研究热点，然而将蛋白质技术应用在行为学方面上的研究并不多。30多年来，在果蝇的嗅觉学习和记忆的研究，导致了许多参与记忆形成的基因被发现。据推测，记忆创作涉及的基因组合，通路，和神经回路。Yaoyang Zhang42等学者在蛋白水平上检测记忆的形成过程，采用定量蛋白质组学分析差异在不同蛋白的表达及相关途径。数据表明，主要的蛋白表达的变化发生在短短期记忆（STM）和长期的记忆，只有轻微的变化被发现之间长期记忆（LTM）和抗麻醉记忆（ARM）。Ro

16、bert Parker43等检测到抗寄生螨，螨和中华蜜蜂三者之间社会关系免疫行为在蛋白质组范围的变化。2.6 媒介昆虫的应用蚊子蛋白质组学研究成为人们寻找和追踪疟疾和其他病原菌传播的重要方法。媒介昆虫中研究最多的是恶性疟原虫的寄主冈比亚按蚊。Dolphine A. Amenya44等学者首次通过蛋白质组学揭示冈比亚按蚊蛋壳新的组成部分。K. Hidalgo45等在代谢基础上对旱季生存的冈比亚按蚊复合体雌性疟蚊以及生化问题提出新见解。Ubaida Mohien C146等学者采用生物信息学的方法整合转录组和蛋白质组，比较分析了模型和非测序人类疟疾媒介按蚊。另外Samuel S. C. Rund4

17、7等人从疟蚊冈比亚按蚊触角蛋白和嗅觉灵敏的日节律对其进行了初步探讨。Raghothama Chaerkady48进一步对冈比亚按蚊采用高分辨率傅里叶变换质谱，对其蛋白基因组进行分析。Guido Mastrobuoni49对按蚊可溶性嗅蛋白的蛋白质组学进行初步研究。Alexandra Marie50研究发现疟蚊的唾液蛋白表达恶性疟原虫感染的野生调制：突出新的抗原肽作为候选人。3 展望昆虫种类繁多、生境复杂、生活史多变，在陆生动物中占有特殊的地位，对其深入地研究不仅具有重大科学意义且在生产实践中具有很高的实用价值。蛋白质组学的出现及其广泛应用为昆虫的发展提供了更多的有利条件和发展方向，在今后的研究

18、中，蛋白质组学的研究将会出现更多技术及学科的交叉，这种交叉是新技术、新方法的活水之源，蛋白质组学技术与基因组学、生物信息学等领域的交叉，呈现出的系统生物学研究模式，将会成为生命科学研究的新前沿。参考文献：1 刑晓华，杨晓明，徐平.果蝇蛋白质组学研究进展J.生物技术通讯,2013,05(28):715-721.2 陈利珍，梁革梅，吴孔明，等.蛋白质组学技术的发展及其在昆虫中的应用J.昆虫学报, 2008,51(8):868 -875.3 Wilkins M R, Sanchez J C, Gooley A A, et al. Progress with proteome projects:why

19、 all proteins expressed by a genome should be identified and how to do itJ. Biotechnol Genet Eng Rev,1966,13:19-50.4 尹稳，伏旭，李平.蛋白质组学的应用研究进展J.生物技术通报,2014,01(31):32-38.5 胡文霞，陈斌，王林玲，等.双向电泳技术在昆虫研究中的应用J.动物科学,2011,01(4):18-22.6 Myers EW, Sutton GG, Delcher AL et al. ,2000. A whole-genome assembly of Drosop

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21、703):1937-1940.9 Honeybee Genome Sequencing Consortium, 2006. Insights into social insects from the genome of the honeyb- ee Apis mellifeta. Nature,444(7114):931-949.10 Tian-Ren Lee, Shun-Hong Huang, Chi-Ching Lee, et al.Proteome reference map of Drosophila melanogaster headJ. Proteomics2012,12:1875

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25、 analysis of the maternal-to-zygotic transition in Drosophila primordial germ cellsJ. Genome Biology2012,13:R11.16 Lvgao Qin, Haifeng Shi, Hengchuan Xia, et al.Comparative Proteomic Analysis of Midgut Proteins From Male and Female Bombyx mori(Lepidoptera: Bombycidae)J. Journal of Insect Science2014:

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28、the silkworm, Bombyx moriJ. Proteomics 2015,02:1-31.20 Xiao-wu Zhong, Yong Zou, Shi-ping Liu, et al.Proteomic-Based Insight into Malpighian Tubules of Silkworm Bombyx moriJ. Proteomics2013,8(9):e75731.21 Yan Zhang, Zhaoming Dong, Peiming Gu, et al.Proteomics analysis of adult testis from Bombyx mori

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31、he biological divergences between western honey bees (Apis mellifera) and eastern honey bees (Apis cerana)J. SciVerse ScienceDirect2012,75:756-773.26 Timo Glatter, Ralf B Schittenhelm, Oliver Rinner, et al.Modularity and hormone sensitivity of the Drosophila melanogaster insulin receptor/target of r

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