《Advanced Science》：NFYB Integrates Hormonal Signals into Tissue Allometry by Promoting Protein Biosynthesis
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组织异速生长（tissue allometry）受精确的激素控制，以实现适当的个体大小和形状。尽管保幼激素（JH）和20-羟基蜕皮激素（20E）协调昆虫的生长和发育，但它们在调节组织异速生长中的作用仍不清楚。在美洲大蠊（Periplaneta american
组织异速生长（tissue allometry）受精确的激素控制，以实现适当的个体大小和形状。尽管保幼激素（JH）和20-羟基蜕皮激素（20E）协调昆虫的生长和发育，但它们在调节组织异速生长中的作用仍不清楚。在美洲大蠊（Periplaneta americana）的蜕皮周期中，研究人员揭示JH促进早期剧烈的脂肪体（fat body）扩张，而20E刺激晚期快速的翅芽（wing pad）生长。通过对最后五个若虫龄期（nymphal instar）的早期和晚期脂肪体及翅芽，加上JH处理的脂肪体和20E处理的翅芽进行转录组筛选，研究人员确定NFYB作为中心的时空因子（spatiotemporin）基因。在机制上，NFYB通过转录激活核心翻译机制（core translational machinery），促进早期脂肪体中六聚体储存蛋白（hexamerin storage compounds）和晚期翅芽中微小染色体维持复合体（minichromosome maintenance complex, MCM complex）的蛋白质生物合成。研究人员的发现证明NFYB是一个时空因子，它将不同的激素信号整合到不同的组织异速生长中，从而阐明动物如何实现适当的身体形状。
组织异速生长（tissue allometry）是指身体各部分之间或身体各部分与整体大小之间差异化的缩放比例，是动物的一项基本特征，能够使身体比例高效协调以适应多样的生态和生理需求。目前，尽管已知激素在调节组织异速生长中发挥重要作用，但关于是否存在一个专门的转录整合因子（被研究人员假设为“时空因子”，spatiotemporin），能够整合不同的激素信号进而转化为不同的组织异速生长以协调动物个体发育过程中的身体大小和形状，此前尚不明确。特别是在昆虫中，虽然保幼激素（Juvenile Hormone, JH）和20-羟基蜕皮激素（20-hydroxyecdysone, 20E）协调生长、发育、蜕皮和变态已成共识，且二者涉及某些夸张表型性状及器官生长的调节，但JH和20E是否通过一个假设的时空因子来调节组织异速生长以控制昆虫身体大小和形状，尚无报道。
为此，研究人员以半变态昆虫美洲大蠊（Periplaneta americana）为模型开展研究。该物种具有个体大、生长缓慢、若虫蜕皮周期多达14次等独特优势，能够将每个蜕皮周期精确划分为早期、中期和晚期阶段，便于在若虫蜕皮周期中高时空分辨率地研究发育生长的动态。研究人员观察到，在蜕皮周期的早期阶段同时发生摄食、整体身体生长和脂肪体扩张，而在晚期阶段翅芽快速生长。研究人员进一步揭示JH促进早期脂肪体扩张，20E刺激晚期翅芽生长；重要的是，研究人员鉴定出核转录因子Y亚基β（nuclear transcription factor Y subunit beta, NFYB）作为时空因子，分别在早期脂肪体和晚期翅芽中整合JH和20E信号，通过促进阶段和组织特异性的蛋白质生物合成来协调不同的组织异速生长。该研究不仅支持了研究人员提出的时空因子假说，也为在动物物种内及跨物种进一步鉴定类似关键因子提供了框架。论文发表在《Advanced Science》。
为开展研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：以美洲大蠊最后五个若虫龄期（第10至14龄）的个体为样本队列，进行摄食量、体重及组织（脂肪体、翅芽）生长的定量测量；使用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）和酶联免疫吸附测定（ELISA）分别定量JH和20E滴度；通过药物（JH类似物methoprene、20E）处理、RNA干扰（RNAi）敲低激素受体（Met、EcR/RXR）及颈结扎（neck ligation）实验进行功能验证；对早期/晚期脂肪体与翅芽、激素处理后的组织进行转录组测序（RNA-seq）筛选；利用RNAi敲低NFYB后进行转录组和蛋白质组（LC-MS/MS）分析；采用共聚焦显微镜观察细胞形态与蛋白质合成（HPG染色），利用蛋白质印迹（Western blot）、SDS-PAGE、透射电子显微镜（TEM）及定量PCR（qPCR）等进行分子和细胞表型检测。
2 Results
2.1 JH促进早期脂肪体扩张，20E刺激晚期翅芽生长
研究人员量化了最后五个若虫龄期的摄食和体重变化，发现摄食和体重增长主要发生在早中期，并在中晚期急剧下降；脂肪体在早中期经历剧烈扩张，而在中晚期保持稳定或略有下降，翅芽则在早中期生长很少但在中晚期快速生长，且符合正异速生长（早期脂肪体、晚期翅芽）与负异速生长（相反阶段）的数学特征。JH滴度在早期高于晚期，与脂肪体扩张率正相关；20E滴度在晚期高于早期，与翅芽增长率正相关。功能实验表明，JH类似物methoprene促进脂肪体细胞扩张，Met RNAi抑制之；20E注射刺激翅芽生长，EcR和RXR RNAi抑制之；颈结扎降低20E滴度并抑制翅芽生长，且该抑制可被外源20E rescue。因此JH促进早期脂肪体扩张，20E刺激晚期翅芽生长。
2.2 NFYB周期性地将JH和20E信号转化为不同的组织异速生长
研究人员比较了最后五个若虫龄期早期和晚期脂肪体与翅芽的转录组，并结合JH处理的脂肪体及20E处理的翅芽转录组进行重叠分析，筛选出在阶段特异性上调且分别受JH/20E诱导的基因集合中的转录因子（TFs），发现NFYB是两个组织中共有的唯一转录因子基因。NFYB在早期脂肪体和晚期翅芽上调，JH处理脂肪体或20E处理翅芽可提升NFYB的mRNA和蛋白水平，而各自激素受体敲低则抑制NFYB表达。此外，蛋白质生物合成相关通路和基因（如UTP15、FARSA）在重叠基因集中富集，提示JH/20E可能通过诱导NFYB促进蛋白质生物合成以协调组织异速生长。
2.3 NFYB通过促进蛋白质生物合成来协调组织异速生长
研究人员敲低NFYB后，脂肪体和翅芽中分别有1793和376个基因显著下调，功能富集与核糖体生物合成等蛋白质生物合成通路相关；脂肪体扩张和翅芽生长均受抑制，蛋白质生物合成（总蛋白水平、HPG标记新生蛋白合成）下降；共同因子UTP15和FARSA的mRNA和蛋白水平降低；异速生长分析显示NFYB敲低使脂肪体生长从正异速变为负异速，翅芽从正异速变为近等速。蛋白质组学显示，NFYB敲低后早期脂肪体中六聚体（hexamerin）储存蛋白显著抑制，晚期翅芽中微小染色体维持复合体（MCM complex）蛋白显著降低，表明NFYB通过激活核心翻译机器促进蛋白质生物合成来驱动组织特异性异速生长。
2.4 NFYB通过增强翻译效率促进蛋白质生物合成
研究人员通过透射电子显微镜（TEM）发现，NFYB敲低显著减少脂肪体和翅芽中粗面内质网（RER）关联的核糖体密度，并伴随核糖体形态异常；Western blot显示NFYB敲低抑制磷酸化S6K（pS6K）、S6K、RPS6（40S亚基蛋白）和RPL26（60S亚基组分）的蛋白水平，从细胞超微结构和分子层面证明NFYB通过激活核心翻译机制促进蛋白质生物合成。
3 Discussion
研究人员发现了美洲大蠊最后五个若虫蜕皮周期中身体生长与摄食模式的密切关联，并进一步揭示JH和20E的周期性变化分别调节脂肪体和翅芽的异速生长。重要的是，转录因子NFYB被鉴定为时空因子，在蜕皮周期中响应JH（早期脂肪体）和20E（晚期翅芽）的周期性脉冲，以协调不同的组织异速生长。机制上，NFYB通过激活核心翻译机制促进蛋白质生物合成，从而将周期性激素脉冲转化为组织特异性异速生长。
将NFYB鉴定为时空因子基于以下证据：NFYB是从涵盖两个组织的阶段特异性和激素诱导基因集合的整合转录组筛选中出现的唯一共同转录因子基因，其表达在时间上限于早期脂肪体（JH高相位）和晚期翅芽（20E高相位）并受各自激素诱导；NFYB敲低破坏两个组织中汇聚的细胞过程——蛋白质生物合成；NFYB敲低后的蛋白质组学具有组织特异性：脂肪体偏好抑制六聚体储存蛋白，翅芽降低MCM复合体亚基，表明NFYB不仅整合激素时序，还解读每个靶组织的空间背景以导向不同的异速生长输出。
由于多数昆虫种类蜕皮周期少、周期短和/或RNAi效率低，难以鉴定响应不同激素输入的时空因子；美洲大蠊具多达14次若虫蜕皮及较长龄期，为精确划分蜕皮周期和量化组织生长模式提供时间分辨率。研究人员利用最后五个若虫蜕皮周期，表征了早期脂肪体和晚期翅芽的正组织异速生长，发现不同的JH和20E脉冲分别发挥刺激作用，并通过整合转录组分析鉴定NFYB为唯一共同TF基因，为在动物个体发育中连接不同激素线索与组织特异性异速生长结果提供了有力策略。
该筛选策略可为阐明物种内或跨物种的异速生长激素调控提供重要参考；例如可修改策略以在不同发育时序的多个品级中鉴定控制兵蚁分化的时空因子。该方法还可用于同步不同物种发育阶段以比较组织异速生长。
研究揭示了NFYB此前未被认识的通过激活核心翻译机制促进蛋白质生物合成的功能。NFYB敲低导致早期脂肪体中六聚体复合物（hexamerins）和晚期翅芽中MCM复合物的显著减少，二者均由六个亚基组成，表明NFYB通过共同促进蛋白质生物合成来协调组织异速生长；同时NFYB也表现出组织特异性生长调节，如脂肪体敲低富集脂代谢与线粒体相关信号，翅芽敲低富集DNA复制相关通路。
演化保守的NF-Y复合体由NFYA、NFYB和NFYC三个亚基组成，通常NFYB与NFYC先形成异二聚体再招募NFYA形成三聚体；结果提示NFYB既可单独作用，也可通过经典NF-Y复合体起作用，因为三个亚基在发育阶段和激素处理中协调表达变化。
总之，研究不仅证明NFYB是美洲大蠊中将不同激素信号整合到不同组织异速生长中的时空因子，也为在物种内及跨物种鉴定更多时空因子提供了重要参考，有助于揭示动物通过组织异速生长实现适当身体形状的普遍原理。
