《SCIENCE ADVANCES》：Opposing insulin signals underlie the same developmental switch across hemipteran insects
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本研究揭示了信号通路进化重排的新机制。针对“信号通路如何在对立活性下产生相同发育结果”这一核心问题，研究人员通过对欧洲红蝽（Pyrrhocoris apterus）和褐飞虱（Nilaparvata lugens）进行系统的比较功能基因组学分析，发现胰岛素/胰岛素样信号（IIS）通路通过相反的激活与抑制状态，调控蜕皮激素生物合成，最终导向相同的长短翅表型转换。这一发现挑战了IIS通路普遍促进生长的传统认知，并为理解进化发育的灵活性提供了关键见解。
在自然界中，生命展现出的多样性令人叹为观止，但更令人着迷的是，相似的性状或发育结局可能由完全不同的分子路径“殊途同归”。想象一下，如果两个人要到达同一个目的地，一个选择开车，一个选择步行，最终却神奇地同时抵达。在生物学领域，信号传导通路在进化过程中就经常上演这样的“戏法”。它们就像一个能够灵活变通的工具箱，不同的物种为了应对环境挑战，演化出不同的基因调控“工具组合”，却能达成相同的发育“结果”，例如长出翅膀、决定性别或者塑造器官形态。这种进化上的“灵活性”是物种多样性的重要源泉，但其背后的分子机制一直是个谜团。
其中，一种名为“翅膀多型性”的现象是研究这一谜题的绝佳模型。在半翅目昆虫（如我们熟知的臭虫、蝉、飞虱等）中，同一个物种的个体，在若虫阶段看起来几乎一模一样，最终却可能发育成两种截然不同的成虫：有的拥有长而有力的翅膀，适合远距离迁飞以寻找新家园或食物；有的则是翅膀短小甚至无翅，专注于在原地繁殖。这种“长短翅”的发育开关是如何被触发的？更重要的是，在半翅目这个庞大的家族中，这种开关机制是独立演化了很多次的。那么，不同的物种是否采用了不同的“分子开关”来控制相同的“翅膀开关”呢？这正是本篇发表在《SCIENCE ADVANCES》上的研究所要解答的核心问题。
研究人员将目光聚焦于一个在动物界中极为保守且功能强大的信号通路——胰岛素/胰岛素样信号（Insulin/Insulin-like signaling， IIS）通路。长久以来，从果蝇到小鼠再到人类，IIS通路都被认为是促进细胞增殖和器官生长的“油门”。然而，前期研究已经暗示，在调控翅膀多型性时，IIS通路在不同物种中似乎扮演着矛盾的角色。例如，在褐飞虱（Nilaparvata lugens）中，激活IIS通路会促进长翅发育；而在某些蝽类中，IIS通路的作用模式却不清晰，甚至可能相反。这引发了一个深刻的科学问题：一个高度保守的通路，是如何在不同的物种中演化出对立的功能，却最终导向相同的发育结局（长翅）？这背后是否存在一个共同的“翻译器”或“整合器”？
为了回答这些问题，研究团队选取了两个代表性物种进行深入的比较研究：一种是欧洲红蝽（Pyrrhocoris apterus），另一种是褐飞虱。这两个物种分别属于半翅目下不同的亚目，它们的翅膀多型性是独立演化出来的，是研究“趋同进化”下分子机制异同的理想对比模型。
研究人员运用了多层次的现代生物学技术来剖析这一机制。首先，他们利用CRISPR-Cas9基因编辑技术，在红蝽中成功构建了三个胰岛素受体（InR）同源基因的敲除突变体，为后续功能研究奠定了基础。其次，RNA干扰（RNAi）技术被广泛应用于两个物种中，用以系统性地敲低IIS通路中各个关键基因（如InR、Chico、PI3K、Akt、FoxO等）的表达，观察其对翅膀表型的影响。为了探究IIS下游的调控网络，研究还使用了雷帕霉素（TORC1抑制剂）进行药理处理。进一步的，他们通过比较转录组学分析，对比了红蝽和飞虱的长翅突变体与各自野生型的基因表达谱，以寻找共同的下游调控模块。最后，借助液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术，他们精确测定了两种昆虫体内关键蜕皮激素（红蝽为makisterone A，飞虱为20-羟基蜕皮酮，20E）的滴度，并通过外源激素注射实验，验证了激素在调控表型转换中的核心作用。昆虫样本方面，红蝽采集自中国新疆乌鲁木齐，飞虱则来源于浙江杭州的水稻田种群。
研究结果部分揭示了IIS通路在两个物种中完全相反的作用模式与共同的整合机制。
1. 在红蝽中，IIS的失活促进长翅生长
通过CRISPR-Cas9突变和RNAi实验，研究人员发现，敲除或敲低红蝽的两个关键InR基因（PaInR1a和PaInR2）或其下游的正调控因子PaChico、PaPi3k、PaPdk1，都会导致原本发育为短翅的个体几乎全部转为长翅。然而，敲低更下游的Akt或FoxO基因却无此效果。相反，敲除IIS的负调控因子PaPten或在InR突变体背景下敲除TORC1通路的抑制因子PaTsc1/2，则会激活IIS/TORC1信号，将发育轨迹从长翅扭转为短翅。这些结果表明，在红蝽中，IIS通路通过InR-Chico-PI3K-PDK1-Tsc1/2-TORC1级联反应，发挥了抑制长翅生长的作用，其失活反而促进长翅发育。这与经典模式（IIS促进生长）截然相反。
2. 在飞虱中，IIS的激活促进长翅生长
与红蝽相反，在褐飞虱中，之前的研究已证实，敲低IIS通路正调控因子（如NlInR1、NlChico、NlPi3k、NlAkt）会抑制长翅发育，导致短翅；而敲低负调控因子FoxO则会促进长翅。这表明，在飞虱中，经典的InR-Chico-PI3K-Akt-FoxO级联反应被用来激活IIS，从而促进长翅生长，符合传统认知。
3. 相反的IIS活动通过蜕皮激素生物合成途径整合为相同的输出
尽管输入信号（IIS激活或失活）相反，但两个物种如何实现相同的长翅输出？比较转录组学分析提供了一个关键线索：无论是红蝽的IIS失活突变体（PaInR2De4）还是飞虱的IIS激活突变体（NlInR2E4），它们与各自野生型相比，都共同富集到了“昆虫激素生物合成”通路，特别是蜕皮激素生物合成途径。深入分析发现，两个物种下调的具体基因不同：红蝽下调的是Torso、Phantom和Disembodied；而飞虱下调的是Neverland、Spook和Cyp314A1。LC-MS/MS激素定量分析证实，两种突变体都导致了体内主要蜕皮激素（红蝽的makisterone A和飞虱的20E）滴度的显著降低。外源激素拯救实验则提供了决定性证据：向长翅命运的红蝽PaInR2De4突变体注射makisterone A，或向长翅命运的飞虱NlInR2E4突变体注射20E，都能有效地将发育轨迹“扳回”短翅。
在讨论与结论部分，本研究构建了一个全新的模型来解释进化可塑性与发育稳定性如何共存。该模型的核心在于提出了一个“整合层” 的概念。具体而言：
- 1.
信号通路的进化重排：在物种分化的顶层，IIS通路本身表现出高度的进化灵活性。在飞虱中，它作为正调控因子通过Akt-FoxO轴工作；在红蝽中，它却演变为负调控因子，通过TORC1轴工作。这种“接线方式”的重排允许物种快速适应不同的生态环境和选择压力。
- 2.
激素通路的整合作用：蜕皮激素生物合成途径作为关键的“整合层”，接收来自上层这些相反甚至多变的IIS信号输入。通过调控该通路中不同的靶基因（物种特异性），最终将不同的输入“翻译”成统一的生理输出：低水平的蜕皮激素。
- 3.
核心基因调控网络的稳定执行：低水平的蜕皮激素这一统一信号，再向下游激活控制翅膀生长的核心基因调控网络，稳定地诱导出长翅表型。一旦信号被整合层“翻译”完毕，上层的IIS通路便与最终的器官生长“解耦”，从而获得了更大的自由去演化。
这项研究的重要意义在于：
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挑战了传统范式：首次在动物中明确证实，IIS通路既可以促进也可以抑制器官生长，这取决于其如何与其他通路（如激素通路）耦合，拓宽了对生长调控机制的理解。
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揭示了进化发育的新机制：为“进化层蛋糕模型”增加了一个关键的“整合层”，阐明了高度可变的信号通路如何通过一个稳定的整合器（如激素通路）来产生保守的发育结果，从而调和了进化灵活性与发育稳定性之间的矛盾。
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具有广泛的生物学启示：该机制可能普遍存在于其他昆虫多型性（如甲虫角的大小）乃至更广泛的生物现象中（如线虫阴门发育、昆虫背腹轴确立、脊椎动物性别决定等），为理解自然界中“殊途同归”的进化现象提供了统一的框架。
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连接生态与发育：研究暗示，IIS作为营养感应通路，其灵活演化可能帮助昆虫应对不同栖息地（如红蝽的灌木丛与飞虱的稻田）的资源差异，而蜕皮激素整合层则确保了在不同环境下都能产生适应性的表型可塑性。
总之，这项研究以昆虫翅膀多型性为窗口，精彩地演绎了生命如何通过“灵活的信号输入层”、“稳健的激素整合层”和“保守的发育执行层”这三层架构，在变幻莫测的环境中，既保持了关键性状的稳定性，又获得了应对多样挑战的进化自由度。
