中华网纹土蜂（Reticulitermes chinensis）长寿的分子基础：Tsc2蛋白的结构与功能特征及其在寿命调控中的作用

《Gene Reports》：Molecular basis of longevity in Reticulitermes chinensis: Structural and functional characterization of the Tsc2 protein and its role in lifespan regulation

本研究通过分子对接和动态模拟，揭示了白蚁Tsc2蛋白的高稳定性和灵活性，其与抗氧化配体的氢键相互作用可能增强应激抵抗，并通过RT-qPCR分析发现不同 кастах中Tsc2表达模式差异显著，提示其在 caste分化与延长寿命中起关键调控作用。

　　

哈鲁恩·里亚兹·侯赛因|连西·邢

华南农业大学林业与景观建筑学院，广州，510642，中国

摘要

本研究通过分子对接技术，探讨了Reticulitermes chinensis中Tuberosclerosis complex 2（Tsc2）蛋白的结构和功能特性。Tsc2蛋白的分子量为30,263.03 Da，不稳定指数为41.54，且带正电荷。其烷基指数（97.75）表明其具有稳定性，而GRAVY指数（-0.075）则表明其具有亲水性。二级结构预测显示，随机卷曲结构占比较高（41.22%），说明该蛋白具有较高的灵活性。Ramachandran图分析表明该蛋白结构质量较高，其三维模型呈现出参考蛋白中未观察到的独特结构排列。动力学模拟和分子对接结果显示，Tsc2与其配体之间存在明确的结合模式，涉及氢键供体和H键相互作用。从回转半径、可溶胶表面积以及均方根偏差等方面来看，该蛋白也表现出稳定性和灵活性。RT-qPCR分析表明，不同品级间的Tsc2表达存在差异，这可能与其在白蚁品级分化和寿命延长中的作用有关。

引言

在真社会性昆虫（如白蚁）中，寿命存在一个有趣的生物学悖论：基因组几乎相同的个体根据品级不同，其寿命却有显著差异。在R. chinensis中，繁殖品级（如蚁后和蚁王）可以存活多年，而工蚁和兵蚁的寿命仅为前者的一小部分（Haroon等人，2020年；Saiki等人，2022年）。这些显著差异源于调节新陈代谢、氧化应激和能量分配的分子机制，而非基因差异（Seebacher等人，2010年）。其中最具影响力的是Tuberosclerosis complex（TSC），它由Tsc1和Tsc2基因组成，是细胞生长、代谢稳态和衰老的主要调节因子（Kingswood等人，2020年；Polchi等人，2018年）。

Tsc2编码tuberin蛋白，这是一种GTP酶激活蛋白，能够负调控雷帕霉素（mTOR）信号通路的靶蛋白，而mTOR是跨物种高度保守的生长和寿命调节因子（Huang和Manning，2008年；Kapahi等人，2004年）。Tsc2的激活会抑制mTOR复合物1（mTORC1）的活性，从而减少合成代谢过程，增强自噬作用、抗氧化应激能力和蛋白质稳态，这些都是延长寿命的关键特征（Altintas等人，2016年；Wang等人，2025年）。相反，Tsc2的缺失或下调会加速衰老过程，增加活性氧的积累，并破坏能量平衡，导致存活率下降（Guo等人，2023年；Razquin Navas和Thedieck，2017年）。

在昆虫中，Tsc2介导的mTOR信号调节在决定发育时间、繁殖能力和寿命方面起着关键作用（Ivanov等人，2013年；Ogienko等人，2022年；Potter等人，2001年）。在Drosophila melanogaster中，降低胰岛素信号或增强Tsc2活性可以通过限制营养依赖的TOR激活和提高代谢效率来延长寿命（Griffiths，2023年；Kapahi等人，2004年）。同样，在Caenorhabditis elegans中，上调Tsc2同源物的突变通过促进能量保存和增强抗应激能力来延长寿命（Altintas等人，2016年）。这些发现强调了Tsc2作为跨物种协调生长和衰老的分子检查点的保守作用。

在白蚁中，寿命与品级特化密切相关，Tsc2轴对繁殖个体的寿命有重要贡献。长寿品级中Tsc2表达的增加可能促进线粒体稳定性，提高抗氧化防御能力，并减少代谢周转，从而在延长寿命的过程中维持细胞完整性（Haroon等人，2020年；Promislow等人，2022年）。相比之下，工蚁中Tsc2活性的降低可能反映了为了维持群体生存而牺牲寿命、优先利用能量的适应性权衡（Husak和Lailvaux，2022年；Rau等人，2023年）。这种品级依赖的表达模式表明Tsc2是白蚁衰老的关键调节因子。

尽管Tsc2在生物学上具有重要意义，但其结构和功能特征在胰岛素信号通路（IIS通路）中的研究仍较为有限（Haroon等人，2022年）。大多数研究集中在哺乳动物或模式无脊椎动物系统上，导致对白蚁衰老的分子机制了解不足（Monroy Kuhn等人，2021年；Rau等人，2023年）。因此，表征Tsc2蛋白的结构、稳定性和配体结合特性对于理解其在R. chinensis中促进品级特异性寿命的作用至关重要。本研究旨在表征R. chinensis中Tsc2蛋白的结构、稳定性和配体结合特性，并阐明其在品级特异性寿命中的作用。为此，我们采用了结合计算机模拟结构建模、分子对接和基因表达分析的综合方法。具体来说，我们的目标是：（i）预测Tsc2的三维结构并评估其构象稳定性；（ii）通过分子对接识别潜在配体并分析结合相互作用；（iii）量化并比较不同品级间的Tsc2表达谱；（iv）将其理化性质与功能相互作用和表达模式相关联，以确定Tsc2如何调节IIS通路并促进细胞韧性。本研究为真社会性昆虫衰老的调控机制提供了新的见解，并为未来关于寿命分子进化的研究奠定了基础。

研究片段

白蚁采集

在受控实验室条件下建立了Reticulitermes chinensis群体，以确保品级分化，以便进行分子和基因表达分析。从中国成都的成熟野外群体中收集有翅个体，并配对形成创始群体。这些群体在潮湿的松木基质上维持，控制温度和湿度以模拟自然筑巢环境。大约四年后，群体形成了不同的品级，包括

Reticulitermes chinensis中Tsc2的一级结构和理化性质

分析的R. chinensis Tsc2序列来自转录组（表S1），代表了一个保守的功能核心。对不同品级中该序列的分析揭示了与稳定性和韧性相关的关键结构特征。该蛋白的分子量（30,263.03 Da）和理论等电点（pI = 6.08）将其归类为小的带正电荷的细胞内蛋白（表1）。Leucine的丰度

讨论

本研究提供了关于Tsc2在调节R. chinensis寿命和长寿方面作用的分子和结构见解。通过计算和分子方法相结合，我们发现Tsc2具有多种生化特性，如亲水性、稳定性、构象灵活性和配体结合稳定性，这些特性与其在IIS通路中的已知调节功能一致。

结论与未来展望

本研究首次全面表征了R. chinensis中Tsc2蛋白的结构和功能，揭示了其在调节寿命中的关键作用。结果表明，Tsc2具有支持长期蛋白质稳定性和细胞稳态适应性调节的生化特性。分子对接和动力学分析表明，Tsc2可能与抗氧化配体发生相互作用，从而增强抗应激能力和维持氧化还原平衡

CRediT作者贡献声明

哈鲁恩：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件使用，方法学设计，实验设计，数据分析，概念化。里亚兹·侯赛因：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据可视化，资源管理，项目协调，实验设计。连西·邢：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督工作，软件使用，资源管理，项目协调，概念化。

出版同意

不适用。

资助

本研究未获得任何公共、商业或非营利机构的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

不适用。