温度应激下果蝇翅盘分泌神经肽样前体1（Nplp1）通过抑制PERK通路缓解内质网应激的机制研究

《Communications Biology》：Imaginal discs produce neuropeptide-like precursor 1 to alleviate ER stress in response to warm temperatures

本研究针对高温环境下动物发育异常的核心问题，聚焦果蝇幼虫器官应对热应激的分子调控机制。研究人员通过遗传学、转录组学及细胞生物学手段，首次揭示神经肽基因Nplp1在翅盘中特异性剪接变体Nplp1-RC的升温诱导表达，可抑制PERK/ATF4/Yki通路激活，进而阻断Dilp8介导的蜕皮激素（20E）合成抑制与细胞凋亡，保障高温下器官正常发育与系统生长加速。该发现为理解无脊椎动物温度适应性提供了关键分子靶点，对全球变暖背景下生物适应性进化研究具有重要启示。

　　

随着全球气候变暖加剧，高温环境对动物生长发育的负面影响日益凸显。在哺乳动物中，长期热应激会诱发内质网（Endoplasmic Reticulum, ER）应激，导致器官损伤。而果蝇（Drosophila melanogaster）作为典型变温动物，其幼虫在稍高温度（如30°C）下虽能加速发育，却伴随体型缩小和生殖力下降的代价。这种看似矛盾的现象背后，隐藏着生物体如何平衡发育速度与应激耐受性的奥秘。以往研究表明，昆虫的翅盘（imaginal discs）作为成虫器官的雏形，对ER应激异常敏感，但其抵抗高温应激的具体机制尚不明确。

为解决这一科学问题，韩国光州科学技术院（GIST）的Kim研究团队在《Communications Biology》上发表了最新研究成果。他们发现，果蝇翅盘在高温环境下通过上调神经肽样前体1（neuropeptide-like precursor 1, Nplp1）基因的表达，尤其是其剪接变体_Nplp1-RC，能够有效抑制PERK（PKR-like ER kinase）通路过度激活，从而避免Dilp8（Drosophila insulin-like peptide 8）介导的生长发育阻滞。这一机制为理解无脊椎动物应对环境温度变化的适应性策略提供了新视角。

关键技术方法概览

研究综合利用果蝇遗传学模型（包括基因突变体、RNAi knockdown及组织特异性Gal4/UAS系统），结合体器官尺寸测量、免疫组织化学（检测pH3、Cas3等标志物）、转录组测序（RNA-seq）及基因集富集分析（GSEA），并通过药理学干预（如Thapsigargin、Tunicamycin诱导ER应激）验证表型。样本来源于果蝇幼虫翅盘、脑、唾液腺等组织，在可控温度条件下（25°C vs 30°C）进行时序分析。

研究结果

1. Nplp1缺失导致高温下发育停滞

野生型果蝇在34°C时完全停止发育，而Nplp1突变体在30°C即出现类似表型：幼虫停滞于二龄期（L2），翅盘面积缩小40%-75%。通过阶段特异性温度转换实验，发现Nplp1功能缺失对早期幼虫发育阶段的影响更为显著（图1F）。此外，突变体虽能正常摄食，但其翅盘、腿盘、唾液腺和脑的体积均显著减小，表明Nplp1对多器官协同生长具有调控作用（图1G-I）。

2. Nplp1在翅盘中特异性响应高温

利用Nplp1-Gal4表达谱分析，发现该基因在幼虫翅盘、脑、气管等组织中活跃表达。当温度升至30°C时，翅盘的 pouch 和 hinge 区域Nplp1表达显著增强，且剪接变体_Nplp1-RB和_Nplp1-RC的mRNA水平分别升高5.9倍和4.6倍（图2I）。功能挽救实验显示，仅表达_Nplp1-RC可完全恢复突变体翅盘生长缺陷（图2K），提示该变体编码的肽段在热应激中发挥核心作用。

3. Nplp1通过抑制Dilp8调控蜕皮激素通路

转录组分析发现，Nplp1突变体中Dilp8表达量飙升110倍（图3B），而Dilp8作为系统生长抑制因子，可阻断蜕皮激素（20E）合成。进一步实验表明，引入dilp8功能缺失等位基因可部分挽救突变体的发育停滞（图3D）。同时，突变体翅盘中20E合成关键基因（如phantom、disembodied）及其下游效应因子（如Eip75B）表达显著下调，而外源添加20E能恢复翅盘细胞增殖（pH3⁺细胞数增加71%）和部分蛹化率（43%）（图3F-H）。

4. Nplp1缺失加剧ER应激并通过PERK-Yki通路激活Dilp8

KEGG分析显示，Nplp1突变体中ER蛋白加工通路显著下调（图4A），且对ER应激诱导剂（如Thapsigargin）敏感性增强。遗传互作实验证实，降低PERK或ATF4剂量可挽救突变体翅盘缩小表型（图4D），而Yki（Yorkie）作为Dilp8转录激活因子，其mRNA水平在突变体中升高3.5倍，且依赖于PERK通路（图4E）。此外，_Nplp1-RC过表达能完全抑制Thapsigargin诱导的Thor（PERK下游因子）和Dilp8上调（图4F），明确其通过负调控PERK-Yki轴缓解ER应激。

结论与意义

本研究首次揭示Nplp1在果蝇高温适应性中的关键作用：翅盘通过温度依赖性剪接产生_Nplp1-RC肽段，抑制PERK/ATF4/Yki通路过度激活，从而阻断Dilp8介导的发育阻滞（图5）。该机制不仅保障器官在热应激下正常生长，还协调系统发育速度与应激耐受的平衡。值得注意的是，Nplp1同源基因广泛存在于节肢动物中，且_Nplp1-RC特异性肽段（如Nplp1-ALH）与Dilp8在进化上具有共现性，提示其可能为昆虫应对环境压力提供保守的分子策略。未来研究需解析Nplp1受体身份及其调控ER钙稳态的具体机制，为理解温度适应性进化提供新线索。