成长的保护神：三剑客-百年果蝇探秘

人们发现，蜕皮和变态发育受3种激素的调节：大脑的神经分泌细胞所分泌的促前胸腺激素（PTTH）、由前胸腺分泌的蜕皮激素（生物活性最强的是20—羟基蜕皮激素，或20E），以及由咽侧体分泌的保幼激素（JH）。这3种激素的水平，在发育过程中此起彼伏，有序地涨落，精准地组织协调了幼虫体内所有细胞在蜕皮和变态发育过程中的行为。

在果蝇的生命周期中，蜕皮激素水平（或滴度）的涨落，形成6个比较明显的峰值，而在每个峰值前都有一个短暂的PTTH分泌。第一个峰在胚胎发育的10小时左右出现。第二个蜕皮激素的峰值出现在一龄幼虫，刺激幼虫分泌形成新角皮和变为第二龄的蜕皮。第三个峰值启动新的幼虫角皮的形成，并进入三龄即最后一龄幼虫的蜕皮。在三龄末期出现第四个峰值，引起许多生理和形态的变化，导致身体变短及随后化蛹。化蛹大约12小时后，比较小的第五个峰值出现，诱导蛹期角皮的分泌。随后，最宽大也是最高的第六个峰值在蛹期出现，与这一时期低水平的保幼激素一起，共同调节成虫结构的变态发育。

值得一提的是，果蝇幼虫的前胸腺（分泌蜕皮激素）、咽侧体（分泌保幼激素）和心侧体（分泌脂肪酸动用激素，即AKH）融合成一个环状腺体，环绕食管，被称为“环腺”。AKH的功能类似于哺乳动物中的胰高血糖素，调节在饥饿条件下的糖代谢。所以，环腺是一个通过分泌多种激素来调节能量代谢和生长发育的重要内分泌腺体。

与哺乳动物的甾体类激素类似，蜕皮激素20E也通过与其核受体——蜕皮激素受体（EcR）相结合，来调节蜕皮激素受体靶基因的转录。这些靶基因构成一个调控网络，来协调蜕皮和变态发育的生理变化。

由于甾醇类激素（蜕皮激素）及其核受体（蜕皮激素受体）在调节变态发育上的重要作用，对蜕皮激素及其受体如何激活转录分子机制的研究，也促进了人们对其他类似的甾体激素核受体的生理病理功能的理解。例如，雄性激素受体或雌性激素受体如何调节哺乳动物的性征发育和生殖行为？在病理条件下，这些核受体在前列腺癌、乳腺癌、子宫癌或卵巢癌等疾病的发生过程中起什么作用？此外，合成蜕皮激素类似物，也许能用作农作物病虫害防治的杀虫剂。

PTTH则通过在前胸腺细胞膜上的受体，迅速激活第二信使cAMP和Ca2+以及PKA激酶，进而激活参与20E合成的各种酶的表达。这些酶从食物中获取胆固醇，逐步转化为蜕皮类激素和20E。AKH通过类似于G蛋白受体的物质来激活cAMP和PKA等下游分子。虽然保幼激素的受体（Met和Gce）在几年前已被发现，关于它的调节机理目前依然充满未知。

果蝇的幼虫在产卵后72小时左右进入第三龄，随后幼虫不停地进食近36小时。目前对三龄幼虫化蛹的转变过程，研究得较为深入。在产卵后120小时的时候，第五个蜕皮激素的峰值出现，引起幼虫行为的变化。幼虫开始离开食物并四处爬行，以寻找化蛹的地方。这一时期被称为“游荡期”，持续约10小时。这些幼虫逐渐地停止爬行，变为白色的前蛹，随后蛹的颜色不断加深，成为黄色的蛹。

有趣的是，如果在产卵80～82小时之后让这些幼虫饥饿，它们会提前化蛹，并能成功地变为成虫，尽管蛹和成虫会比正常情况下小一些。然而，如果在80～82小时之前让这些幼虫挨饿，那它们将维持三龄幼虫的状态，直至饿死也不能化蛹。所以，三龄幼虫在80～82小时的重量，被称为“临界重量”。这些现象说明幼虫的生长对决定化蛹的时间起重要作用。(www.xing528.com)

如果给果蝇幼虫喂高糖饮食，比如在正常食谱中额外增加20%的蔗糖，这些幼虫的化蛹时间会推迟1天左右；而给它们喂高蛋白质的食物，则对化蛹时间没有影响。为什么会这样呢？从代谢角度看，幼虫期的进食行为会激活胰岛素样肽的活性。这种物质一方面刺激幼虫体内的脂肪合成，另一方面可通过前胸腺细胞里的mTOR，抑制蜕皮激素的分泌，从而维持幼态，以促进幼虫体内足够的脂肪积累。这一过程在幼虫的游荡行为过程中发生逆转。所以，胰岛素和蜕皮激素相互拮抗，共同决定化蛹的时机和果蝇个体的大小。

上述模型可以解释，达到临界重量以后的幼虫对于饥饿发生提前化蛹现象，也可以解释高糖饮食导致化蛹滞后的现象。虽然对于幼虫怎样“知道”自己的体重是否达到“临界体重”的机制还不清楚，但是这些研究揭示出营养、能量和脂类代谢以及环腺分泌的多种激素，在调节昆虫幼虫的生长、化蛹及变态发育过程中起关键作用。

蛹期的变态发育，使成虫拥有与幼虫完全不同的组织和器官，比如在外部的巨大的复眼、触角、6条腿、翅膀、平衡棒和生殖器等器官，以及在内部的脂肪、大脑和周围神经系统等组织。成虫的这些组织和器官，在形态结构、生理特性和行为活动方面与幼虫明显不同。成虫的各种器官究竟是怎样形成的呢？

原来，成虫的各种结构在幼虫期以被称为“成虫盘”的双层细胞组成的囊状结构存在。这些囊状结构主要是由一层柱状表皮细胞和一层扁平状细胞构成。幼虫体内共有10对主要的成虫盘，它们在蛹期发育为成虫中除腹部之外的结构，而生殖器则由一个生殖盘发育而成。

有关的细胞可以追溯到胚胎发育的后期，它们与多数的胚胎细胞一样是二倍体。幼虫体内的大多数细胞如脂肪细胞和唾腺细胞，只复制DNA却不进行有丝分裂和胞质分裂，从而变为多倍体细胞。但是，成虫盘的细胞却跟典型的体细胞一样，进入快速的有丝分裂，每个成虫盘在三龄后期能达到1万至6万个细胞。这些细胞在增殖的同时也逐步分化，部分细胞还会发生凋亡。相关过程受到多种信号传导通路的准确调控。

果蝇成虫的身体结构复杂多样，而且在正常情况下一成不变。这些复杂且可靠的性状，为分析各种突变体及基因的功能，提供了极丰富的素材。