蜜蜂级型分化蛋白质组分析

蜂群是一个高度组织化的昆虫社会,通常由一只蜂王和成千上万只工蜂等两个级型组成。尽管蜂王和工蜂的基因组成完全一致,但它们在形态学、行为学和生理学上却表现出很大的差别。雌性蜂王的体型更大且具有生殖能力,而工蜂体型较小只在蜂群中从事维护工作。它们的寿命也相差很大,蜂王一般存活1-2年,工蜂只能存活6-7周。以往研究结果认为这种形态学、行为学和生理学上的差别是由3.5日龄以后蜂王幼虫和工蜂幼虫的营养差别所造成的。尽管对蜜蜂级型分化的原因进行了很多研究,然而利用蛋白质组学方法对3.5日龄以前的蜜蜂幼虫发育特征的研究还未见报道。本研究以蜂王和工蜂幼虫发育早期三个时间点(72hours,96hours和120hours)的线粒体和细胞核蛋白质组以及2日龄(48hours)蜂王和工蜂幼虫的全蛋白质组为研究目标,利用差速离心技术,双向电泳技术,质谱分析,生物信息学分析和荧光定量PCR等多种手段探究级型分化产生的原因。结果发现在这两种级型幼虫发育的三个时间点上,无论是蛋白质的种类还是表达量都有显著的差别。蜂王幼虫的线粒体和核在72hours,96hours和120hours三个时间点上调表达大部分蛋白,与72hours工蜂幼虫相比,蜂王幼虫中上调表达的线粒体蛋白和核蛋白分别占到95%和69%。尽管在72h有多种线粒体蛋白参与两级型幼虫在新陈代谢、生理学和组织学差异的形成,但与碳水化合物和能量代谢、氨基酸和脂肪酸代谢以及蛋白质生物合成相关的生理代谢类相关蛋白是造成级型分化的最主要因素。同样核蛋白质组中,蜂王幼虫上调表达细胞骨架、发育和核酸代谢相关蛋白来调节细胞核内DNA和RNA活性,进而决定级型分化过程。进一步的蛋白质生物功能富集和蛋白质相互作用网络预测分析表明,差异表达的蛋白与代谢速率、细胞对激素应答以及DNA/RNA功能直接相关。线粒体和细胞核的差异蛋白质组学的分析表明了蜂王和工蜂幼虫在72hours之前已经进入了不同的发育轨迹。为进一步找到级型分化的精确时间,对48hours蜂王和工蜂幼虫的全蛋白质组中的47个差异蛋白分析结果显示,60%的蛋白质在蜂王幼虫中上调表达,从而又把级型分化的时间提前到48hours。本研究以蜂王和工蜂的细胞器为生物材料,第一次在亚细胞蛋白质组学水平上解释了蜜蜂社会多态性形成的分子机制,而且全蛋白质组的研究结果把级型分化的时间提前到48hours,这不但为最终发现蜜蜂级型分化最根本的决定因素和解释蜜蜂级型分化的机理迈出的重要一步,而且也为深入理解蜜蜂生物学做出了重要贡献,同时也为其它社会型昆虫级型决定机制的研究提供新的思路。在基因水平上验证的与蛋白表达水平一致的结果,为今后的反向遗传手段(RNA干涉)进行功能研究提供了重要目标蛋白。

蜜蜂; 线粒体; 级型; 幼虫; 细胞核; 蛋白质组;

李建科;

S891

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