保幼激素与BMP信号通路协同调控昆虫脂肪体细胞命运转换的分子机制

为解决昆虫脂肪体在生殖周期中如何从增殖状态转向卵黄蛋白合成状态的调控机制问题，研究人员以飞蝗为模型，揭示了BMP信号通路通过激活CycB和Plk1基因促进脂肪体细胞增殖，而高浓度保幼激素(JH)通过Fzr介导的Medea泛素化降解抑制BMP信号，从而协调脂肪体细胞命运转换的关键机制。该研究为理解昆虫生殖发育的分子调控提供了新视角。

　　

昆虫的脂肪体作为能量代谢和卵黄蛋白合成的核心组织，其细胞命运在生殖周期中经历从增殖到分化的动态转换。然而，这种转换的分子调控机制长期以来是发育生物学领域的未解之谜。飞蝗等半变态昆虫的脂肪体在成虫羽化后经历快速增殖的卵黄发生前期(previtellogenic stage)，随后停止分裂进入以卵黄蛋白(Vg)合成为主的卵黄发生期(vitellogenic phase)。这种精确的时序调控如何实现？哪些信号通路参与其中？这些问题对理解昆虫生殖发育策略具有重要意义。

中国科学院动物研究所的研究团队在《BMC Biology》发表的研究中，系统揭示了保幼激素(Juvenile hormone, JH)与骨形态发生蛋白(Bone morphogenetic protein, BMP)信号通路协同调控脂肪体细胞命运转换的分子机制。研究发现BMP信号通过Mad/Medea复合体激活细胞周期基因CycB和Plk1的表达驱动增殖，而卵黄发生期升高的JH通过Fzr介导的Medea泛素化降解抑制该通路，促使细胞转向Vg合成。这一发现为昆虫生殖发育调控提供了新的理论框架。

研究采用RNA-seq转录组分析、RNA干扰(RNAi)、双荧光素酶报告系统、电泳迁移率实验(EMSA)、蛋白质免疫印迹(Western blot)和免疫共沉淀等技术，以飞蝗为模型，系统分析了卵黄发生前后脂肪体基因表达谱变化，验证了关键信号分子的功能机制。

脂肪体经历细胞命运转换
研究发现飞蝗雌虫羽化后3天内脂肪体细胞增殖活跃，pH3阳性细胞比例和总数显著增加；第4天进入卵黄发生期后增殖停止，Vg表达量急剧上升。转录组分析显示卵黄发生前期高表达的基因富集于细胞周期和DNA复制通路，其中BMP通路成员Dpp表达变化最为显著。

BMP信号促进细胞增殖
Western blot显示Dpp、磷酸化Mad(p-Mad)和Medea蛋白在卵黄发生前期积累，卵黄发生期下降。RNAi沉默Dpp、Mad或Medea导致脂肪体细胞增殖受阻，细胞总数减少40-50%，Vg表达和卵泡发育被显著抑制。这表明BMP信号是脂肪体增殖的必要条件，且独立于JH合成途径。

Mad/Medea激活CycB和Plk1转录
通过启动子分析发现CycB和Plk1基因上游存在BMP响应元件(BRE)。EMSA和双荧光素酶实验证实Mad/Medea复合体直接结合BRE并激活这两个基因转录。RNAi沉默CycB或Plk1重现了BMP通路抑制的表型，证实它们是该通路下游的关键效应因子。

JH诱导Medea泛素化降解
在卵黄发生期，高浓度JH通过激活APC/C^Fzr复合体促使Medea发生K49位点泛素化降解。突变实验证实Medea的D-box结构域(473-481aa)和K49位点是Fzr介导降解的必要元件。这种蛋白稳定性调控使BMP信号在卵黄发生期被精确抑制。

该研究首次阐明了JH与BMP信号通路在时空维度上的拮抗作用：卵黄发生前期BMP信号通过CycB/Plk1轴驱动脂肪体扩增，为后续生殖储备足够细胞资源；卵黄发生期JH通过Fzr-Medea模块终止增殖，使细胞转向Vg合成功能。这种双信号调控模式不仅揭示了昆虫适应生殖需求的发育可塑性机制，也为害虫生殖调控靶点的筛选提供了新思路（如靶向Fzr-Medea相互作用的小分子抑制剂设计）。研究还拓展了对TGF-β超家族信号跨界调控的认识，为理解哺乳动物中类似通路（如BMP-Smad在组织再生中的作用）提供了进化视角。