变态激素调节

1、第八章变态(binti)动物体发育过程中器官的形成是多种类型的细胞间互作的结果。细胞间的互作可以发生在相邻的2种类型或多种类型的细胞之间，也可以发生在不相邻类型的细胞之间，即远距离细胞间也可以发生互作，这种远距离的细胞互作通常是由一些信号分子来介导的，特别是各种激素，在其中起着非常关键的作用，它们可以由一种特定类型的细胞或组织分泌后，通过血液循环，远距离地调控靶细胞或组织的分化和发育。 许多动物的幼体与成体无论是在形态上还是在生活方式上都有很大的差别。如海胆的长蜿幼虫可以在海洋激流(jli)中畅游，而成体只能生活在限定的区域；蝶类和蛾类的幼虫只能缓缓爬行，而它们的成体却有一副美丽的翅膀，可以在

2、天空中飞舞。由于具有这些差异，它们的幼体与成体往往生活在不同的环境之中，特别是幼体，甚至还具有一些独特的环境适应方式，由幼体发育为成体，必须要通过变态发育才能实现。这种变态发育，是由特定的激素所激活的。共三十一页第一节 昆虫(knchng)的变态第一节 昆虫的变态一昆虫的变态的发育模式1原变态：低等昆虫种类，如衣鱼、跳虫和双尾虫等，没有明显的幼虫期的变态形式。2半变态： 如直翅目和半翅目的昆虫，是一种不经过蛹期的变态形式。3完全变态：如蝇类、甲虫类、蛾类、蝶类，是一种在幼虫和成虫之间经历了蛹期的变态形式。蛹化和羽化(yhu)是其最重有的两次蜕皮 共三十一页共三十一页二、器官(qgun)芽的发育

3、如蝗虫、臭虫，以半变态方式发育，成体器官(qgun)由幼虫器官(qgun)直接发育而成，中间无间断，翅、生殖器和其他一些成体结构的原基在孵化时就已形成，以后通过多次蜕皮使这些器官原基发育为成熟器官，经最后一次蜕皮后，发育成为一个具翅的性成熟的昆虫。在完全变态的昆虫中，如蝇类、甲虫类、蛾类、蝶类，幼虫经多次蜕皮逐渐长大，经最后一次变态形成成虫，幼虫和成虫在形态上差别极大。刚孵出的幼虫身体被一坚硬的角质层所覆盖，为了身体的生长，必须蜕去身体上原有的角质层，而形成一个新的更大的角质层，因此，这些昆虫的胚后发育由连续的蜕皮过程所构成。每两次脱皮之间的幼虫称龄虫。在最后一个龄虫期，幼虫经过一个变态过程，

4、变为蛹，在蛹化过程中，成体结构逐渐形成，并取代原有的幼虫结构。蛹期是从幼虫到成虫的二个过渡期，对完成变态起桥梁作用，蛹期的出现是变态进入最后阶段的标志。在发育的最后阶段，蛹中的昆虫经过一次成虫蜕皮，从蛹虫羽化出来，成为幼虫。共三十一页以果蝇为例讲述器官芽的发育果蝇在其生活周期中要经历4次蜕皮，其间经过3个龄虫阶段，由三龄幼虫化为蛹，再由蛹变为成虫。每一次蜕皮中，表皮细胞与角质层分离，并分泌一种“脱皮液”到表皮细胞与角质层之间，脱皮液中含有一些水解酶，可以(ky)降解原有的角质层。在蛹期内完成幼虫向成虫的转变，在此期间，大部分的幼虫器官被破坏，并从器官芽中的未分化细胞形成成体器官。成虫形成后，从

5、蛹中羽化出来。在全变态昆虫的幼虫中，存在2种类型的细胞群：一种是构成幼虫本身身体的细胞，它们是维持幼虫本身的生理功能所必需的；另一种是未分化的细胞，它们在特定的信号刺激下，可以分化为成虫的器官芽。在果蝇中，共有10对器官芽，由它们发育为成体果蝇除腹部外的全部结构。共三十一页共三十一页 另外还有一个生殖芽，它将发育为果蝇(u yn)的生殖器。腹部的表皮由一群成组织细胞发育而来，这些成组织细胞在幼虫中位于消化道区域，而腹部的内部结构由其他的成组织细胞发育而来，它们在幼虫身体的各个区域均有分布。共三十一页三、昆虫变态的激素调控 以 吸血蝽为例讲述昆虫是由脑中的神经分泌(fnm)细胞(nel-aros

6、ecretory cell)分泌(fnm)一些调控因子，通过调节激素的分泌(fnm)而控制变态过程的。1蜕皮激素：由脑神经分泌细胞分泌前胸腺向性激素（PTTH）， 它是一种多肽激素，分子质量约45kDa，它可以刺激前胸腺分泌蜕皮激素。新分泌的蜕皮激素是以一种前体激素的形式存在的，它必须转变为一种活性激素的形式才有活性。这种转变是由外围组织的线粒体和微体中的血红素氧化酶来完成的。它负责幼虫新壳的泌成和硬化，蛹化、蛹壳形成及与蜕皮相关的生长和分化等。 2保幼激素 另一种对昆虫发育有重要作用的激素为保幼激素（JH），JH是由咽侧体分泌的，咽侧体分泌细胞在幼虫蜕皮期具有分泌活性，而在变态蜕皮时却失去分

7、泌功能。JH的功能是抑制变态的发生，只要有JH存在，蜕皮激素刺激幼虫蜕皮后，只能进入下一龄虫阶段，而不能使其变态。在最后一个龄虫期，咽侧体的分泌活性受到抑制，同时虫体能降低已有的JH浓度，因而使得JH降低到临界浓度以下，促使脑释放PTTt。PTTH又刺激前胸腺分泌少量的蜕皮激素，活化后的蜕皮激素在没有JH的存在下，刺激虫体开始蛹化。此时，虫体内有新的mRNA开始合成，其蛋白质产物抑制幼虫基因的表达。第二个激素波出现之后，蛹化所必需的特异蛋白质开始合成，使虫体由幼虫变为蛹。因而，第一个激素波的作用，可能是促使幼虫特异基因表达失活，而为蛹化特异基因的转录做准备，第二个激素波才促进蛹化特异基因的表达

8、。 共三十一页共三十一页共三十一页共三十一页四、昆虫变态的基因表达的调节1蜕皮激素与DNA的结合 在蜕皮和变态期间，果蝇多线染色体的特异区域开始出现疏松区，这表明该区的DNA已开始转录。如果向早期幼虫的唾液腺中注射蜕皮激素，可以诱导新疏松区的出现和一些原有疏松区的消失。这种新疏松区的出现是由于蜕皮激素与染色体特定区域结合的结果(ji gu)。2不同的组织中具有不同的蜕皮激素受体根据对蜕皮激素的反应，晚期龄虫组织可粗略地分为3种类型：“真正”的幼虫组织(如唾液腺、，肌肉和肠)，它们在蜕皮激素的作用下将会死亡；成虫组织，它们在蜕皮激素的作用下将直接发育为成虫结构；经过改造能发育为成虫结构的组织，如

9、脂肪体、中枢神经系统。对于不同的组织是如何对同一激素信号产生不同反应的机制，目前还并不知晓，但有研究表明并不是所有组织中的蜕皮激素受体(EcR)都是相同的。蜕皮激素受体基因可以产生3种不同的mRNA，因而能合成3种不同但相关的蛋白质：EcRA、EcRB1和EcRB2，它们有相同的DNA结合位点和蜕皮激素结合位点，而氨基酸组成却有很大差异(下图)。所有细胞都含有这几种受体，但不同细胞中几种受体的比例不一样，如在“真正的”幼虫组织和正在退化的神经元中有大量的EcR-B1，而EcRA的含量却较低，反之，器官芽和分化中的神经元中的EcRA含量占有绝对优势，而EcRB1的含量却较低。不同的细胞中基因表达

10、的差异可能是由于脱皮激素与不同的受体结合的结果。共三十一页共三十一页3BRC(Broad-Complex)因子 不同组织对蜕皮激素的特异性反应可能还有其他转录因子的参与。 BRC基因(jyn)是蜕皮激素作用的早期表达的基因(jyn)之一。它是一个复合基因(jyn)，具有几个彼此重叠的转录单位，因而可以通过不同的剪接方式产生几种不同的蛋白质。组织反应的特异性是由蜕皮激素刺激BRC基因(jyn)产生特异性产物来调控的。当然，幼虫组织中BRC基因(jyn)的产物剪接中，肯定还有其他因子的参与。4同一细胞中具有不同蜕皮激素受体 蜕皮激素所引起的反应有其特定的时间性和空间性。除了不同组织间对蜕皮激素有不

11、同的反应外，就是同一个细胞对蜕皮激素的反应也有异质性。共三十一页共三十一页共三十一页 因此，蜕皮激素能诱导一系列的基因活性，而不同的激素浓度激活不同的基因，使同一(tngy)激素可以调控变态过程中的不同变化 四、环境对昆虫变态的影响大小植物成分共三十一页第二节 两栖类的变态(binti)发育在两栖类中，变态发育是指只能在水中生活的蝌蚪发育为可以在陆地生活的成体动物的过程。在无尾类(蛙、蟾蜍)中，变态发育中形态上的变化是非常明显的，蝌蚪期的角质齿、内鳃和尾在发育中都逐渐消失，同时，四肢和皮脂腺等逐渐形成.变态现象1.形态学的变化1生物化学的变化（1）眼内视色素的变化（2）血红蛋白在合成和生理功能

12、特点方面的变化。（3）皮肤中的生化变化（4）产生尿素所需酶的诱导：由氨代谢转变为尿代谢两栖类变态发育的激素调控甲状腺和碘在两栖类变态中起重要的作用。现已证明，两栖类变态期间发生的形形色色的变化，都是由甲状腺分泌的激素，甲状腺素T4)和三碘甲腺原氨酸(T3)引起的。现已证明，T3是极活跃的一种激素，它以比T4低得多的浓度，在切除甲状腺的蝌蚪中引起变变化。在有尾类和无尾类中，幼体期甲状腺只产生少量(sholing)的T3和T4，在变态前期约1.3 nmol/L。尽管在幼虫发育后期浓度持续增加，但终究达不到使幼体进入变态所需的水平，这是因垂体分泌的催乳激素的作用下，抑制了甲状腺激素的作用。催乳激素是

13、一种幼虫激素，促进幼虫的生长，但它又通过抑制甲状腺激素而抑制两栖类的变态。另外，T3的释放还处于下丘脑合成的激素的控制之下。在幼虫变态前的生长期，脑的这一部发育不完全的，所以下丘脑对腺垂体不产生控制。共三十一页共三十一页(一)激素(j s)调控的局部特异变化1尾的退化和吸收尾部的消退过程一般分为4个阶段尾部肌肉细胞中的蛋白质合成减少；酶体酶(1ysosomal enzyme)在表皮、脊索和神经索细胞中的浓度升高，这些细胞中有高浓度的蛋白酶、DNA酶、RNA酶、胶原酶、磷酸酶和糖苷酶，这些酶向细胞质中的释放，必然引起相应细胞的死亡；肉细胞的死亡，可能是由表皮细胞中释放的消化酶的结果，因为如果将剥

14、去皮肤的尾放在含有甲状腺激素的培养基中培养，尾不能消退；这些细胞死亡之后，细胞残渣由聚集于尾部的巨噬细胞吞噬，使尾部变为一个大的酶囊，内有大量巨噬细胞中的蛋白水解酶，这些蛋白水解酶主要是胶原酶和其他一些金属蛋白酶，它们的合成都依赖于甲状腺激素，如果将组织金属蛋白酶抑制剂(TIMP)加在蝌蚪的尾部，它可以抑制由甲状腺激素诱导的尾部消退。2. 皮肤的变态变化3. 肝的变态变化4神经系统的变化动物变态之后，其神经系统也相应地发生了变化。如在变态过程中，眼的位置将向前移，有利于蛙的捕食生活，因为蛙眼必须具有(jyu)三维视觉才能捕获猎物，这种三维视觉的形成依赖于进入两眼的视觉信号同时反映到脑。而在蝌蚪

15、中，右眼的视觉信号只进入左脑，左眼的视觉信号只进入右脑，不能形成三维视觉。无论是眼睛位置的移动还是新的视觉神经元的形成，都必须依赖于甲状腺激素。共三十一页除视觉神经元以外，其他的神经元在变态过程中也发生(fshng)很大的变化。在变态过程中，脑结构同样发生(fshng)变化。因此，经过变态以后，整个神经系统都经历了巨大的变化，有些神经元死亡，有些神经元形成，有些神经元的特性发生(fshng)改变等。共三十一页二）激素调控发育的协同(xitng)变化二）激素调控发育的协同变化协同变化是变态发育的一个重要特点。四肢未长出之前，尾就不会消失；肺未发育成熟，鳃也不会失去作用。这种变态过程中的协同变化是

16、由激素浓度(nngd)的变化所引起。如果将切除甲状腺的蝌蚪置于低浓度(nngd)的甲状腺激素环境中，其变态变化仅仅只限于肠的缩短和四肢生长的加速，而将蝌蚪置于高浓度(nngd)的甲状腺环境中，在后肢形成之前，尾部就开始消退。因而，变态发育的进程是由不同组织对甲状腺激素的不同反应能力所决定。共三十一页二、甲状腺激素对变态的调控机制有实验证据表明甲状腺激素是在转录水平对变态发育进行调控的。1Weber(1967)将放线菌素D注射到未变态的蝌蚪中，可以抑制尾的消退和头型的改变。变态过程中，肝内核糖体和mRNA的合成大大增加，经甲状腺激素处理后的肝，蛋白质的合成速率在4 h后可增加100倍，很多新的m

17、RNA的转译产物是成体蛙肝脏所特有的酶。2分子杂交实验(分别从未变态和变态中的蝌蚪提取的mRNA与克隆的基因杂交)表明对甲状腺激素有3种类型的应答方式。在变态中，有一组基因的转录活性是增加的，另一组基因的转录活性却下降。还有一组基因对甲状腺激素的作用没有明显(mngxin)的反应。白蛋白、成体球蛋白、成体皮肤角蛋白和爪蟾中基因的同源基因的mRNA的合成都是由T3调控的。共三十一页然而，由T3信号所引起的最早的基因活性并不是这些基因，而是甲状腺激素受体（TR）基因。TR是甾类激素受体家族的成员，主要有两种存在形式：TRa和TRB。在变态之前，TRa和TRBmRNA的浓度都很低)。然而，当变态开始

18、后，TR mRNA的合成量大大增加，如果注射外源T3，可使TRa mRNA量增加25倍，使TRB mRNA量增加2050倍。T3受体信使的“自体诱导”在变态发育的快速进行中具有重要作用。组织中T3受体分子越多，对T3分子的反应能力就越强，使所有变态变化都达到最快速度，即达到变态顶峰期(metamorphic climax)。T3分子诱导TR的分子机制目前尚不清楚，但TRBmRNA的合成可被蛋白质合成抑制剂所抑制，因而可能(knng)还有其他的蛋白质参与诱导TR基因的表达。另外TR必须与另外一种受体(retinoid receptor)，结合，形成二聚体，才具有活性，这种二聚体与甲状腺素结合后，能进入到细胞核中调控转录。共三十一页共三十一页第三节 激素(j s)对乳腺发育的调控 哺乳动物乳腺的发育在胚胎时期就已开始，但直到妊娠(rnshn)末期开始分泌乳汁时才发育成熟。在乳腺发育过程中，有多种激素对乳腺原基产生作用。乳腺的发育可分为3个阶段：胚胎期、青