PNAS：昆虫变形记

　　

生物通报道  这是生命的一个特殊时刻：一个孩子发现了一条胖胖的毛毛虫，将它放到有一些树枝和树叶的小罐中，某一天他发现毛毛虫消失了，树枝上挂着一条美丽的，无生命迹象的东西。此后，孩子将小罐遗忘至脑后，直到他惊奇地发现罐子里面有一只纤细翅膀的蝴蝶或长着触角的蛾。这些转变是如此的惊人，孩子对此充满了敬畏。

究竟一只昆虫是如何在它的生命中经历数次自我重塑，完全形成一种不同的生物的呢？来自华盛顿大学的Ian Duncan 和 Dianne Duncan领导的一个研究小组利用果蝇解开了部分的答案。这一研究发现在线发表在最新的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

令人费解的问题

果蝇一生需经历三个主要生命阶段：幼虫、蛹和成虫。

早期的研究表明幼虫和成虫图式形成是通过相同的“信号系统”，或是生物化学信号链。然而科学家们不清楚的是相同的信号系统是如何以一种模式主导幼虫形成，而以另一种模式主导成虫形成的。

Duncans夫妇与合作者、麻省大学医学院Eric Baehrecke及研究生Xiaochun (Joanna) Mou证实一种仅在蛹期表达的基因改变了信号系统，使得它们能够激活另外一套不同于早期阶段的靶基因。这一基因自身受到类固醇激素的调控。由激素引发的昆虫变态与人类激素引发的青春期发育非常相似。

巨大的改变

2011年，剑桥大学的科学家Michael Akam和Anastasios Pavlopoulos,在PNAS上发表论文描述了当他们人为地在果蝇变态的不同阶段启动一种调控基因时发生的事件。在利用基因芯片检测基因活性产物后，他们发现在变态的每个阶段，该调控基因精细地增高或是降低了数百种下游基因的表达。但是在不同的变态阶段，开启的是不同的下游基因。

Ian Duncan 说：“他们发现了870种靶基因。在这些基因中，大约有200种在幼虫期被诱导，超过400种在前蛹期诱导，350种在蛹期诱导。事实是，每个阶段调控的基因都几乎完全不同。因此他们意识到从一个阶段进入到下一个阶段规则发生了全面变化。”

Dianne Duncan 说：“这就像两个正在比赛的足球队。半场结束时，裁判出示了一套新规则。现在相同的运动员、相同的场地、相同的目标，但是球队比的不再是足球而是曲棍球。规则不同，游戏就随之改变了。”

双重开关

在这篇文章中，Duncans夫妇将焦点放在了在蛹期由类固醇脉冲开启的E93基因上。Ian Duncan 说：“在蛹期E93基因开启时是所有图式形成和新结构产生的必要条件，然而在形成幼虫过程中它却不发挥任何作用。”

为了详细了解E93在果蝇中的作用，Duncans选择了一种简单且易于理解的图式过程：激活一种称为Distal-less的基因，其功能是形成果蝇腿部刚毛附近的bracts。靶基因通过充分研究的信号通路——EGFR信号通路激活。Ian Duncan 说：“EGFR信号在果蝇各个阶段均发挥作用，不同的时期具有不同的功能。”

为了证实在EGFR信号开启靶基因之前E93就必须被激活，Duncans夫妇观察了带有E93突变基因的果蝇。突变果蝇中没有这种基因，因此细胞无法对信号通路做出应答，无法形成bracts。

进一步实验表明E93和EGFR信号军事启动靶基因Distal-less的必要条件。E93告诉Distal-less何时启动，EGFR信号告诉它何地启动。投掷双重开关确保了靶基因能够在准确的时间和地点被激活。因此也表明如果一旦E93 和EGFR双重信号同时处于激活状态时，Distal-less就会被启动，即使处于错误的时间。

Duncans夫妇计划在下一阶段研究E93对于果蝇大脑的影响。Ian Duncan说：“我们现在充分了解到E93能够强有力地影响果蝇蛹期大脑的重塑。假设E93在神经系统中发挥与腿中同样的功能，那么它就能影响基因的应答。”

(生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Control of target gene specificity during metamorphosis by the steroid response gene E93

Hormonal control of sexual maturation is a common feature in animal development. A particularly dramatic example is the metamorphosis of insects, in which pulses of the steroid hormone ecdysone drive the wholesale transformation of the larva into an adult. The mechanisms responsible for this transformation are not well understood. Work in Drosophila indicates that the larval and adult forms are patterned by the same underlying sets of developmental regulators, but it is not understood how the same regulators pattern two distinct forms. Recent studies indicate that this ability is facilitated by a global change in the responsiveness of target genes during metamorphosis. Here we show that this shift is controlled in part by the ecdysone-induced transcription factor E93. Although long considered a dedicated regulator of larval cell death, we find that E93 is expressed widely in adult cells at the pupal stage and is required for many patterning processes at this time. To understand the role of E93 in adult patterning, we focused on a simple E93-dependent process, the induction of the Dll gene within bract cells of the pupal leg by EGF receptor signaling. In this system, we show that E93 functions to cause Dll to become responsive to EGF receptor signaling. We demonstrate that E93 is both necessary and sufficient for directing this switch. E93 likely controls the responsiveness of many other target genes because it is required broadly for patterning during metamorphosis. The wide conservation of E93 orthologs suggests that similar mechanisms control life-cycle transitions in other organisms, including vertebrates.