家蚕味觉受体蛋白结构和功能研究获得突破

昆虫的食性，是在昆虫漫长的进化过程中，为了适应生存环境，满足自身生长发育和后代繁衍，对食物进行选择，形成对某种或某些食物的强烈偏好。昆虫中大部分是植食性昆虫，而鳞翅目昆虫在植食性昆虫中形成一个庞大的单系发生群，其中包括了广泛分布的重要农业经济害虫，如棉铃虫、烟蚜夜蛾等。所谓的害虫，其实也就是取食农作物或者森林林木的昆虫。不同昆虫有不同的食物偏好，因此对经济作物、林木的危害性不同。对于昆虫自身而言，如何寻找自己的食物，是生死攸关的重大事情。而研究昆虫食性，对于人类而言是也十分重要的。

这些昆虫如何选择取食的植物呢？根据已有的知识来看，昆虫主要依靠灵敏的嗅觉能够找到食物源，味觉系统则在昆虫食物选择、宿主植物专一化过程中发挥重要作用。尽管昆虫的味、嗅觉分子决定机制已经成为生物学研究的热点领域，但总体上讲，关于昆虫的食性机制，目前还不甚明了。

8月29日，西南大学夏庆友教授、澳大利亚CSIRO Ecosystem Sciences课题组和联合培养博士生张辉洁在美国公共科学图书馆期刊《PLoS ONE》发表了题为“Topological and Functional Characterization of an Insect Gustatory Receptor”的合作研究论文，报道了在家蚕味觉系统分子研究层面的重要突破。该研究基于最新的家蚕基因组精细图谱，鉴定了4条新的味觉受体蛋白序列（BmGr66-BmGr69）。通过昆虫细胞（Sf9或S2）体外表达系统、钙成像及细胞内钙离子浓度检测技术（Calcium imaging），鉴定出从家蚕下颚中克隆到的糖受体家族成员BmGr8能够特异识别低浓度的myo-inositol和高浓度的epi-inositol。这一实验结果与Jakinovich等人1971年，通过电生理发现家蚕下颚瘤状体上Lateral sensillum中有一个神经细胞，可同时识别低浓度myo-inositol和高浓度epi-inositol的研究结果吻合。利用细胞免疫荧光和Beta-半乳糖苷酶融合表达实验技术，发现BmGr8与果蝇嗅觉受体跨膜拓扑结构相同，即胞内的C末端、胞外N末端，该结构与传统GPCR受体跨膜结构域插入方向相反。这一实验结果在家蚕苦味受体家族成员BmGr53中也得以验证。这是首次在昆虫味觉受体研究领域，对味觉受体结构进行的诠释，为进一步的受体蛋白功能研究奠定基础。该文也是截至目前为止，第二篇对家蚕味觉受体进行功能研究的文章。第一篇文章于7月3日，Sato等人在PNAS发表的一篇名为“Sugar-regulated cation channel formed by an insect gustatory receptor”的文章。该研究鉴定了3条新味觉受体蛋白序列，其中2条分别与上文中的BmGr66、BmGr67相同。该研究将果蝇DmGr43a、家蚕中的同原体BmGr9和BmGr10异源表达在Xenopus oocytes或者HEK293T细胞中，通过单细胞电生理鉴定出DmGr43a和BmGr9能够特异识别食物中的D-fructose。Myo-inositol广泛存在于植物之中，可促使家蚕持续大量的取食植物叶，对其他鳞翅目昆虫如棉铃虫、烟青虫，可促使他们取食行为的发生。糖类成分，如果糖、蔗糖、纤维素等，可激发昆虫的取食欲望、促进昆虫吞咽食物等。

本研究成果，不但对阐明家蚕味觉决定机制有很大的帮助，而且也有助于建立昆虫味觉神经系统识别网络，“解码”昆虫取食行为的奥秘。