昆虫内复制（Endoreplication）的可塑性：发育与适应中的多面角色

《Journal of Resource Insects》：Plasticity of the endoreplication in insects: Multifaceted roles in development and adaptation

　　

摘要专业翻译 昆虫内复制（Endoreplication）的可塑性：发育与适应中的多面角色 内复制（Endoreplication）是指细胞通过无胞质分裂的有丝分裂（acytokinetic mitosis）、核内有丝分裂（endomitosis）或内周期（endocycle）实现基因组复制，最终导致基因组含量倍增的过程。该机制是导致细胞多倍化（polyploidization）的关键表型调控机制，不仅促进细胞扩张，还减少细胞资源消耗并缩短细胞周期时长。此外，通过绕开有丝分裂过程中遗传物质精确分离的复杂性和潜在错误，内复制显著有助于维持基因组稳定性。因此，该机制在基因表达调控、支持快速细胞生长以及维持代谢稳态等关键生物学过程中发挥核心作用。 在昆虫中，内复制现象广泛存在于多个目（orders）的物种中，其形成机制主要为内周期（endocycle）和核内有丝分裂（endomitosis）。内复制的调控最终通过细胞周期蛋白（cyclins）和细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinases，CDKs）的控制来实现，涉及多种信号通路、支架蛋白、转录因子及激素的协同作用。核心过程在于调控关键细胞周期调节因子的稳定性与活性，从而在不伴随细胞分裂的情况下实现多轮DNA复制。 昆虫内复制在发育、环境适应、代谢策略及社会性昆虫品级分化中发挥多面功能。在环境适应方面，内复制作为应对胁迫的适应性机制，参与免疫防御和创伤诱导的多倍化（wound-induced polyploidization，WIP）组织修复。在代谢策略方面，内复制是昆虫组织高代谢效率的基础，如脂肪体（fat body）细胞通过内复制实现基因组扩增，支持卵黄原蛋白（vitellogenin）的大量合成以促进生殖。在社会性昆虫中，内复制水平与体型多态性及劳动分工密切相关，较大的工蚁品级表现出更高的内多倍性（endopolyploidy）水平。此外，内复制在一定程度上缓解了单倍体雄性的发育限制。 该综述旨在总结昆虫内复制的调控网络及其在发育、胁迫响应和社会行为中的作用，为深入理解内复制在正常发育、组织稳态及社会等级建立中的关键功能提供新视角。

论文解读

一、研究背景与科学问题

在真核生物中，细胞周期是一个高度受控且协调的过程，涵盖细胞生长、遗传复制和细胞分裂等一系列事件，主要包括间期和分裂期。对于二倍体细胞而言，经历正常细胞周期将产生与母细胞基因组含量相同的子细胞。然而，部分细胞会经历某些特殊的周期形式，导致核内DNA含量异常增加，形成具有两套以上染色体的多倍体细胞，这一现象被称为内多倍性（endopolyploidy）。内多倍性的形成依赖于几种非典型细胞周期，包括无胞质分裂的有丝分裂、细胞融合、核内有丝分裂（endomitosis）和内周期（endocycle）。其中，内周期作为内复制最广泛的存在形式，指DNA在细胞周期S期复制但在后续分裂期完全缺失的过程，常见于节肢动物和植物；核内有丝分裂则指细胞进入但未完成有丝分裂，常见于哺乳动物，如前巨核细胞分化为巨核细胞的过程。

内复制作为一种关键的表型调控机制，直接导致细胞多倍化，即基因组拷贝数的增加。这一过程不仅促进细胞扩张，还减少细胞资源消耗并缩短细胞周期时长。更重要的是，通过绕开有丝分裂中遗传物质精确分离的复杂性和潜在错误，内复制显著有助于维持基因组稳定性。因此，该机制在基因表达调控、快速细胞生长支持和代谢稳态维持等关键生物学过程中发挥核心作用。

在植物细胞中，内复制被广泛认为是促进细胞生长和应对各种生物及非生物胁迫的策略。例如，水稻和玉米等主要作物的胚乳组织中，较高水平的内复制与细胞体积增加密切相关；而镉污染则通过抑制细胞分裂和内复制，直接损害拟南芥的叶片生长发育。在哺乳动物中，内复制常见于滋养层巨细胞、巨核细胞和肝细胞中，主要功能是支持血小板生成和增强代谢能力。

昆虫作为无脊椎动物中物种最丰富的类群，同样广泛存在内多倍性现象，其形成机制主要为内周期和核内有丝分裂。尽管植物和哺乳动物中内复制的调控机制和生理功能已得到较为充分的研究，但昆虫中这一过程的分子基础和生物学意义仍有待阐明。几项汇聚性进展使得对该主题进行聚焦综述既及时又必要：第一，单细胞测序和空间转录组学的快速成熟使得表征组织驻留内复制的时空异质性成为可能；第二，内复制已成为生物工程应用的可行靶点——家蚕丝腺正被积极开发为重组蛋白生物反应器，农业害虫中与内周期相关的基因正在被评估用于RNAi介导的害虫防治。

二、研究人员开展的研究与主要结论

该综述系统总结了昆虫内复制的调控网络及其在发育、胁迫响应和社会行为中的多面功能。研究人员首先阐述了内复制在昆虫中的普遍性，指出内复制常见于全变态和渐变态昆虫的高代谢组织或细胞中，如中肠、丝腺、脂肪体和滋养细胞。在果蝇中，大多数幼虫组织由多倍体细胞组成，其中唾液腺细胞经历约10轮内周期，导致倍性显著增加。家蚕丝腺与果蝇唾液腺同源，其前部丝腺在幼虫发育过程中经历12–13轮内周期，中后部丝腺经历18–20轮，这种大规模的DNA扩增支持了后期丝蛋白的合成。

在调控机制方面，研究人员详细阐述了内周期的核心调控依赖于细胞周期蛋白依赖性激酶（如Cyclin E/Cdk2）活性的周期性波动：其启动由CDK抑制剂（果蝇中的Dacapo，哺乳动物中的p21^Cip1/p27^Kip1家族）的积累触发，并通过APC/C的激活得以维持。此外，E2F转录因子家族调控内周期必需基因表达的关键转录模块。具体而言，有丝分裂向内周期转换（mitosis-to-endocycle transition，MES）的调控涉及多种机制：家蚕丝腺胚胎发育中转录因子BmZFP67的下调导致CyclinB转录活性丧失，阻止已完成DNA复制的丝腺细胞启动染色体分离；Notch信号通路通过双重机制促进有丝分裂向内复制的转换——一方面通过抑制CyclinB/Cdk1活性阻断细胞周期进入M期，另一方面激活CyclinE/Cdk2复合物等S期相关因子促进DNA复制。

内周期的维持涉及多层精确调控。支架蛋白Fzr（Fizzy-related）通过其E3泛素连接酶活性激活APC/C，APC/C^Fzr复合物表现出由S期Cyclin E/Cdk2复合物驱动的周期性振荡。上游调控中，USP8（ubiquitin-specific protease 8）通过结合Fzr并介导其去泛素化来稳定Fzr，Hsp70（Heat shock protein 70）分子伴侣促进Fzr折叠从而增强其与USP8的相互作用。此外，Fzr还通过结合染色质相关蛋白H2B增强Myc启动子处的H2B泛素化，刺激Myc转录，进而负调控CyclinB转录并正调控DNA复制必需的MCM6转录。

信号通路和转录因子方面，家蚕丝腺细胞中DNA合成活性由胰岛素受体/PI3K（Phosphatidylinositol 3-kinase）和TOR信号通路协同调控。TOR信号通路最终靶向细胞周期调节因子CyclinA、CyclinE和Cdk2来调控DNA合成。果蝇前胸腺中，TOR信号通路通过感知营养水平调控转录因子Snail的活性，协调细胞中内周期的进展。E2F1促进CyclinE表达，增强Cdk2活性，从而促进家蚕细胞进入S期；飞蝗脂肪体细胞中，保幼激素（juvenile hormone，JH）促进E2F1表达，从而驱动内复制。

CDK抑制剂方面，果蝇内周期由Cyclin E/Cdk2活性的振荡驱动。内周期期间，细胞需要一个以整体低Cyclin E/Cdk2活性为特征的间隙期，以促进前复制复合物（pre-RCs）的形成。p21^CIP/p27^KIP1/p57^KIP2家族CKI Dacapo（Dap）通过抑制内周期间隙期的Cyclin E/Cdk2活性促进DNA复制，从而增强复制许可因子Dup/Cdt1的活性。

激素调控方面，保幼激素和蜕皮激素作为两种关键激素，通过调节细胞周期和DNA复制过程调控昆虫的生长和发育转换。果蝇雄性附腺中，JH上调细胞周期，是维持正常内周期的必需调节因子。飞蝗脂肪体中，JH与其受体蛋白SRC和Met相互作用，Met蛋白可直接结合并调控微小染色体维持基因MCM4和MCM7的表达，从而促进DNA复制。蜕皮激素则与DNA合成活性呈负相关：每个龄期蜕皮激素水平较低，PI3K/Akt信号通路活跃，DNA合成旺盛；蜕皮期蜕皮激素峰值显著抑制Akt蛋白磷酸化，从而抑制DNA合成。JH和蜕皮激素在细胞周期和DNA复制调控中发挥拮抗作用。

三、主要关键技术方法

该综述为系统总结性研究，主要基于对已发表文献的整合分析。研究人员综合了来自模式生物果蝇（Drosophila melanogaster）、家蚕（Bombyx mori）、飞蝗（Locusta migratoria）、蚊子（Anopheles、Aedes、Culex属）以及多种社会性膜翅目昆虫（如Solenopsis invicta、Atta texana、Pogonomyrmex barbatus、Camponotus floridanus、Bombus terrestris等）的研究数据，涵盖分子生物学、遗传学、细胞生物学和发育生物学等多学科证据，系统梳理了昆虫内复制的调控网络和生物学功能。

四、研究结果

4.1 环境诱导的内复制

环境诱导的内复制代表生物体应对胁迫的适应机制，其核心原理涉及细胞重编程以退出常规有丝分裂周期并进入内复制模式，从而产生内多倍体细胞以增强功能可塑性。内复制在免疫防御中发挥关键作用：在疟原虫感染期间，白纹伊蚊中肠细胞利用内复制启动的从头DNA合成参与免疫应答，促进抗菌肽和其他效应蛋白的快速产生，且在二次感染中表现出增强的激活，提示存在类似适应性免疫的"启动效应"（priming effect）。组织稳态不仅通过干细胞增殖维持，还通过创伤诱导的多倍化（WIP）实现——成年果蝇表皮和后肠中已分化的二倍体细胞在损伤后重新进入细胞周期但绕过胞质分裂，通过内周期形成内多倍体细胞以快速恢复屏障功能。

环境信号对内复制具有相应调节作用：营养状况通过代谢途径精细调节该过程。果蝇卵巢假滋养细胞中，低温和高蛋白饮食组合下多线染色体频率增加，提示营养信号可能通过TOR或胰岛素途径正调控内复制。相反，饥饿抑制家蚕前胸腺和丝腺细胞中依赖内周期的DNA复制，与胰岛素信号活性降低相关。光周期作为关键环境线索直接影响咽侧体（corpora allata，CA）的大小：短日照条件下大脑的抑制信号抑制CA中的细胞分裂和内复制，导致蛹期腺体大小和代谢活性显著降低，JH合成不足，从而诱导和维持滞育。长期低温暴露后，滞育蛹的CA接收到终止滞育的信号，DNA复制途径重新激活，内复制增加，CA开始生长，达到"临界大小"后启动大量JH合成，促进滞育终止和成虫发育恢复。

4.2 内复制作为昆虫组织的代谢策略

内复制作为细胞策略，是昆虫组织高代谢效率的基础。终末分化细胞通常不再进行有丝分裂，而是激活内复制以增加基因组拷贝数，从而直接增强特定基因的转录活性和蛋白质合成输出。昆虫脂肪体作为中枢代谢器官是解释该机制的典型例子：在激素和营养信号控制下，脂肪体细胞在胚胎发生期间进行有丝分裂，在幼虫阶段进行内复制，成为高度多倍体细胞，支持其合成、储存和动员有机分子的生理功能。多种白蚁品系的蚁后和飞蝗的脂肪体细胞通过内复制实现卵黄原蛋白的大量合成以促进生殖。蚜虫和果蝇卵巢中的滋养细胞作为高度特化的终末分化细胞，通过核内有丝分裂或内复制实现基因组扩增，为发育中的卵母细胞提供母源转录本和产物。膜翅目蚁科昆虫的腹部组织表现出最高的内复制效率，如Dinoponera australis的消化系统和外分泌腺的内复制水平显著高于其他身体区域。

4.3 内复制影响社会性昆虫的品级分化

社会性昆虫普遍表现出显著的体型多态性，特别是在生殖品级和工蚁品级之间。内复制通过促进细胞增大以支持结构和功能分化，在调控体型变异中发挥关键作用。Scholes等人在多态性物种（如Solenopsis invicta、Atta texana、Pogonomyrmex barbatus和Camponotus floridanus）中证明，较大的工蚁品级在多个组织中表现出更高的内多倍性水平。不同大小的工蚁常表现出不同的行为特化：较大的工蚁可能特别适合巢穴防御和觅食，而较小的工蚁更适应巢穴维护、蚁后护理和幼虫照料。这些发现表明内复制的差异可能与行为变异相关并促进劳动分工。

然而，在蜜蜂（Apis mellifera）中出现了意外发现：某些组织的内多倍性水平随工蚁年龄增长而下降，最显著的是胸部飞行肌。这并非与年龄相关的退行性衰退，而是主动的功能重塑：年轻工蚁需要肌肉产热（高倍性有利），而年长采集蜂要求最大飞行效率（低倍性有利）。年长工蚁内多倍性的降低可能与年龄相关的无丝分裂（amitosis）有关：多核横纹肌细胞随时间通过无丝分裂产生更多核，每个核的倍性水平降低，较小的低倍性核不干扰肌原纤维排列，最终增强飞行性能。

此外，组织特异性多倍性在一定程度上缓解了单倍体雄性的发育限制。在大多数物种中，单倍体雄性经历一轮内复制，产生DNA含量加倍的细胞以支持正常生理功能。例如，Bombus terrestris L.中，单倍体雄性在颚肌、胸肌和腿肌中发育出具有二倍体DNA含量的肌细胞，实现与二倍体雌性相当的细胞体积和生理性能。

五、讨论与结论

内复制是真核生物中一种古老的机制，核心内复制机制在不同分类群（植物、真菌和动物）中的保守性提示其可能约在8亿年前出现。内复制的生物学效用可通过两个主要功能理解：第一，内复制启动的不可逆性通过机械约束阻止后续有丝分裂，有效终止细胞增殖；第二，通过内复制实现的多倍化增强细胞质量和代谢能力，从而实现特化功能适应。

然而，内复制并非总是有利。多倍化引起的细胞体积增加降低了表面积与体积比，可能损害细胞内信号分子（如激素、离子）的转运，扰乱生理调节，并减少可用于反应的相对膜表面积。多倍体细胞通常高度分化并丧失增殖能力，从而限制其组织再生或修复的潜力。这些不利效应主要在内复制失调或环境胁迫下显现。

内复制是昆虫生长、发育和胁迫响应中的关键细胞学机制。在生长发育方面，该过程通过复制基因组而不伴随细胞分裂驱动快速细胞扩张，支持特定器官（如卵巢和丝腺）的大量生长以满足其独特生理需求。在环境胁迫响应方面，胁迫诱导的内复制可能代表一种进化上保守的策略，通过增加基因拷贝数增强细胞对基因毒性损伤的抵抗力，多套染色体的存在提供遗传缓冲，有效防止功能缺失突变；细胞多倍化还可能抑制基因毒性胁迫激活的凋亡信号通路，进一步提高不利条件下的细胞存活率。

内复制的可塑性为有益昆虫改良和害虫防治提供了具体方向。家蚕丝腺细胞通过内复制实现基因组扩增，为丝素蛋白和丝胶蛋白的大量合成提供丰富的转录模板。果蝇等模式生物中已表征的内复制分子调控机制可与家蚕研究整合，定位丝腺复制的关键基因，通过靶向调控丝腺内复制促进蚕丝产量提升，推动蚕桑种质创新和产业升级。同时，家蚕丝腺作为天然的"蛋白质工厂"，可通过基因工程改造或模拟其高效合成途径来制造大量高价值重组蛋白和生物材料。此外，内复制相关基因是害虫治理的有前景靶点：农业害虫中肠、脂肪体和唾液腺等高代谢组织依赖内复制生长，其调控组分是RNAi介导害虫防治的有力候选靶标。

研究结论：内复制是昆虫生长、发育和胁迫响应中的关键细胞学机制，其激活可能是发育程序化的或正常胁迫响应通路的一部分，在昆虫生长的多个方面表现出可塑性。尽管近年来已鉴定出众多调控昆虫内复制启动和进展的基因，但缺乏对内多倍性模式跨组织的高分辨率时空表征，阻碍了对其生理作用的全面理解。构建高分辨率DNA内多倍性机制以分析昆虫组织特异性的时空调控特征，将需要整合单细胞测序和空间转录组学等多组学数据，实现从亚细胞结构到器官系统水平的多样化生物学过程的可视化分析。