Notch通过c-Myc-TFAM通路调节Helicoverpa armigera蛹期滞育过程中的线粒体活性

昆虫滞育由Notch信号通路调控的线粒体活性降低介导

　　

作者：宋哲 | 刘新辉 | 杨金华

郑州大学生命科学学院，中国郑州 450001

摘要

昆虫进入滞育状态是为了避免恶劣的环境条件。滞育是一个复杂的生理过程，受多种信号通路的调控，其分子调控机制尚未完全阐明。Notch信号通路在进化上是保守的，在昆虫发育中扮演着多种角色，包括细胞命运决定、器官生长和组织形态形成。最近的研究表明，Notch信号通路对于维持和恢复秀丽隐杆线虫的滞育状态（类似滞育的状态）是不可或缺的，然而Notch信号通路在昆虫滞育中的作用此前尚未有文献记载。因此，在本研究中，我们调查了Helicoverpa armigera滞育和发育中的蛹期Notch的表达模式，旨在阐明Notch在蛹期滞育中的潜在调控机制。我们发现，滞育蛹期Notch的细胞内结构域（NICD，即Notch的功能部分）的蛋白质表达量低于非滞育蛹期。通过LY411575抑制NICD的表达会延缓非滞育蛹期的发育。此外，通过dsRNA敲低NICD或药理学抑制可以下调线粒体DNA（mtDNA）水平及线粒体活性，这归因于c-Myc和TFAM转录因子的调控。与先前的研究结果一致，即滞育状态下的线粒体活性较低，我们推测Har-NICD可能通过c-Myc-TFAM轴调控线粒体活性从而参与滞育的调控。

引言

滞育帮助昆虫在极端温度或湿度以及营养限制等不利环境下生存（Denlinger, 2002）。滞育可以发生在不同的发育阶段（如胚胎期、幼虫期、蛹期和成虫期），但通常每个生命周期只发生一次，其特征是代谢活动降低、抗逆性增强以及发育停滞（MacRae, 2010; Numata and Shintani, 2023）。对于主要农业害虫Helicoverpa armigera来说，幼虫在秋季感知到短日照和低温信号后，会在蛹期进入滞育状态以度过寒冷的冬季（Jiang et al., 2025; Song et al., 2018; Zhang et al., 2017）。尽管已有大量研究表明昼夜节律、激素信号传导和能量代谢参与了滞育的启动和维持（Denlinger, 2002; Hahn and Denlinger, 2011; Jiang et al., 2025; Liu et al., 2023; Song et al., 2018; Teets et al., 2023; Yang et al., 2023; Zhang et al., 2017），但其精确的分子机制仍不清楚。

Notch信号通路在进化上是保守的，在昆虫发育中具有多种作用，包括细胞命运决定、器官生长和组织形态形成（Chen et al., 2023; Xie et al., 2024）。Notch受体与Delta和Serrate（在脊椎动物中称为Jagged）的配体结合后，会经历三次连续切割，释放出其细胞内结构域（NICD）（Gridley, 2007; Iso et al., 2003; Wilkin et al., 2004）。NICD随后转移到细胞核中，与CSL（CBF1、Suppressor of Hairless、Lag-1）和Mastermind-like（MAML）蛋白形成转录复合体，最终驱动下游靶基因的转录（Borggrefe and Oswald, 2009）。同时，Notch信号通路还可以与其他信号通路（如胰岛素和TGF-β）相互作用，以调控昆虫的生理机制（Blokzijl et al., 2003; Sun et al., 2024）。然而，关于Notch信号通路在昆虫滞育中的直接研究尚未开展。最近对秀丽隐杆线虫的研究表明，Notch信号通路可以维持类似滞育的状态，这提示昆虫中可能存在类似的机制（Ouellet et al., 2008）。因此，阐明Notch在昆虫滞育中的作用对于揭示调控昆虫滞育的分子机制具有重要意义。

线粒体作为主要的能量代谢器官，在滞育调控中起着关键作用（Xu et al., 2012）。先前的研究表明，滞育蛹期的线粒体活性显著低于非滞育蛹期（Lin et al., 2016; Xu et al., 2012）。线粒体活性降低会损害能量代谢，从而抑制神经激素的合成并促使生物体进入滞育状态（Lin et al., 2016）。线粒体转录因子A（TFAM）是首个被发现的线粒体转录因子，属于高迁移率（HMG）蛋白家族（Lin et al., 2016; Novin et al., 2015）。它调控大多数线粒体基因的转录，对线粒体DNA（mtDNA）的合成和功能至关重要（Choi and Garcia-Diaz, 2022; Larsson et al., 1998）。c-Myc是一种多功能转录因子，调控关键的细胞过程。我们之前在H. armigera中的研究发现，Har-c-Myc在滞育个体中的表达逐渐减少，在非滞育个体中则适度增加（Chen and Xu, 2014; Lin et al., 2016）。进一步的研究表明，c-Myc可以直接结合TFAM的启动子并增强其转录（Lin et al., 2016）。已知NICD通过直接结合启动子来调控c-Myc，从而影响细胞分化（Hsu et al., 2008; Liao et al., 2007）。基于这些发现，我们推测Har-NICD可能通过c-Myc-TFAM轴调控线粒体活性，从而参与滞育的调控。

越来越多的证据表明，低线粒体活性不仅对于启动昆虫滞育至关重要，而且对于维持这种滞育状态也是必要的（Li et al., 2018; Lin et al., 2016; Xu et al., 2012）。相反，上调线粒体活性可以有效终止滞育状态并恢复昆虫的正常发育进程（Xu et al., 2012）。细胞色素c氧化酶（COX）是线粒体电子传递链第四复合物的组成部分，在驱动线粒体ATP生成中起关键作用。值得注意的是，Lin等人（2016）发现c-Myc在Helicoverpa armigera的蛹期通过激活Har-TFAM来促进线粒体COX的活性。在我们的研究中，我们发现滞育个体的NICD表达显著降低。此外，我们还证明了NICD可以调控c-Myc和TFAM的转录和表达，从而影响线粒体功能。总体而言，Notch表达的下调会导致mtDNA水平和COX活性降低，从而促进滞育的进入。这些结果表明NICD可能参与调控昆虫的滞育。

动物和细胞

H. armigera的幼虫在20°C、14小时光照：10小时黑暗的光周期条件下饲养，以获得非滞育蛹；或在10小时光照：14小时黑暗的光周期条件下饲养，以诱导滞育蛹。将蛹的大脑在冰冷的0.75% NaCl溶液中解剖，并储存在-80°C直到使用。

HzAm1细胞系（源自Helicoverpa zea的卵巢组织（Song et al., 2018），H. armigera的近亲，在27°C下用Grace’s Insect Medium（Gibco, USA）培养，并添加10%热灭活的胎牛血清

Har-NICD的发育表达

利用H. armigera的部分Notch序列（GenBank: JQ744281.1），我们通过3′RACE扩增了全长cDNA。基于在鼠模型中鉴定出的保守的NICD结构域（从缬氨酸1744（V1744）开始）和下游的RAM基序（色氨酸-苯丙氨酸-脯氨酸）（Yuan et al., 2012），推导出了H. armigera中的部分NICD结构域序列（图S1–S3）。该序列长度为2139 bp，编码712个氨基酸，包含类似的RAM结构域

讨论

滞育是一个复杂的生理过程，受多种信号通路的调控，包括PTTH（Denlinger, 2002）、TGFβ（Zhang et al., 2022）、PI3K-AKT（Song et al., 2023, Song et al., 2018）、MAPK/ERK（Lin et al., 2021）和Wnt/β-catenin（Chen and Xu, 2014）。然而，Notch信号通路在滞育调控中的作用此前尚未有报道。本研究聚焦于Notch，这是一种已被充分研究的发育过程调控因子。我们观察到...

未引用的参考文献

Lee et al., 2011; Su et al., 2024.

CRediT作者贡献声明

宋哲：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、研究设计、资金获取。刘新辉：撰写 – 初稿撰写、方法学设计、研究实施。杨金华：撰写 – 初稿撰写、方法学设计、研究实施。

资助

本研究得到了河南省自然科学基金（项目编号：252300421642）和中国国家博士后科学基金（项目编号：2024M762999）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。