激素与生长发育.

第一章激素与生长发育SirV.B.WigglesworthCarrollWilliams基本要求：通过学习掌握激素的种类与功能，了解激素对生长发育的调控机制，理解生长调节剂在害虫防治中和益虫利用的应用。基本知识点：内分泌器官的结构与功能。激素的分类与功能。激素对昆虫生长发育的调控。基本概念、理论与原理：脑激素；蜕皮激素；保幼激素；保幼激素和蜕皮激素对昆虫生长发育的调控机制。教学重点：内分泌器官的结构与功能。激素的分类与功能。教学难点：激素对昆虫生长发育的调控。内分泌系统和神经系统是调节机体功能运动活动，维持机体内环境稳，两大生物信息传递系统，两者存在着差异。神经系统：①靠感受器接受刺激；②以反射方式传递信息；③作用迅速、准确。内分泌系统：①以激素形式产生信息；②通过血淋巴途径传递信息；③作用比较广泛，缓慢，持久。神经递质和激素的释放A内分泌细胞释放激素到血淋巴，到靶标，引起生物学效应；B神经释放神经递质到突触；C神经递质对内分泌细胞的调节；D神经血器官释放神经激素到靶标；E抑制性神经的释放神经调质；F靶细胞通过受体对激素结合而识别激素，而非靶标细胞缺少受体则不能识别激素。研究昆虫内分泌系统的方法和技术第一代昆虫内分泌学家（1920-1950′s）利用下列技术鉴别昆虫的内分泌器官和功能：A结扎术；B联体技术；C摘除技术；D内分泌腺体的移植和再植入技术；E光学显微镜；第二代昆虫内分泌学家（1950-1960′s）利用下列技术鉴别激素的化学性质和生物合成路线：A腺体的SEM和TEM；B激素的抗体制备；C液相和气相色谱法；D质谱法；E核磁共振；第三代昆虫内分泌学家（1970-1980′s）利用下列技术研究激素的效价：酶联免疫测定或放射免疫测定；第四代昆虫内分泌学家（1980—现在）利用分子生物学技术对于有关的基因进行测定和定位，测定其分子结构和作用方式以及靶标。激素：由内分泌腺或内分泌细胞分泌，通过血液运输而作用于效应细胞，器官和腺体，使昆虫产生一定行为的微量生物活性物质的总称。激素的作用方式和影响因素激素的作用通过调节糖、脂肪和蛋白质的代谢及水盐代谢，维持内环境的动态平衡。调节机体细胞的分裂和分化，促进机体正常的生长、发育、变态、成熟等。促进生殖器官的发育和成熟，调节生殖活动。影响中枢神经系统和交感神经系统的发育与活动。与神经系统密切配合，使机体更好地适应环境的变化。昆虫激素的功能调控蜕皮；决定蜕皮后虫态的发育方向；多型现象的调控；滞育调控；与生殖有关；代谢活动和身体活动的调控；调控行为；细胞程序化死亡的调控。一、分泌细胞和器官神经系统—神经分泌细胞腺体--腺体内分泌激素通过神经血器官和腺体的排放，一部分直接作用于靶器官，大多则进入血淋巴中，形成统一的内分泌系统。神经类激素的主要功能（一）神经分泌细胞位置：存在于脑、咽下神经节和其它胸腹神经节中，但主要集中在前脑的中区和侧区。数目：脑神经分泌细胞因进化程度不同而异，一般较低等的种类，数量多，如蝗虫脑中有233,000个；高等的则少，在咽下神经节中大多不超过100个，其它神经节中数量更少。脑中间神经分泌细胞在中枢内是单极的，伸出的轴突组成成对的神经通道，在前脑中枢，它的轴突两侧相互交叉，再经脑的后方到达相对一侧的心侧体；脑侧神经分泌细胞的轴突与同侧的心侧体相连。在外周是双极。神经分泌细胞的组成细胞体——神经分泌颗粒的合成部位；轴突——转运神经分泌颗粒、传递神经脉冲；膨大的轴突末梢——贮存和释放神经分泌颗粒。神经分泌细胞含有丰富的粗面内质网、高尔基体和大量神经分泌囊泡，在细胞体合成激素，以囊泡的形式运输，并在一定时期输入血淋巴。神经分泌细胞也能产生动作电位，但冲动发生时间长，约2-20msec，与一般神经元相比，长2-20倍，而且冲动的振幅小，传播的速率低。神经递质和激素的释放A内分泌细胞释放激素到血淋巴，到靶标，引起生物学效应；B神经释放神经递质到突触；C神经递质对内分泌细胞的调节；D神经血器官释放神经激素到靶标；E抑制性神经的释放神经调质；F靶细胞通过受体对激素结合而识别激素，而非靶标细胞缺少受体则不能识别激素。（二）心侧体（CorpusCardiacum，CC)位置心侧体位于脑后方，食道和背血管两侧，是脑神经分泌细胞的神经血器官来源外胚层。形状外观肉红色，球状。数量成对或融合成一个。舞毒蛾幼虫的神经/内分泌系统心侧体的组成包括（1）起源于脑神经分泌细胞的轴突末梢，内部充满神经分泌颗粒；（2）心侧体本身的神经分泌细胞；（3）包围神经分泌细胞的胶质细胞，形成一个围膜，为心侧体提供营养。功能贮存和释放脑激素；自身还合成一些激素，包括：利尿激素/抗利尿激素，心跳加速因子，脂动员激素、高血糖激素，蜕壳激素，激脂激素。心侧体有很多轴突伸入到咽侧体，激素通过咽侧体释放进血淋巴。（三）咽侧体（CorpusAllatum，CA）来源胚胎发育时上颚节和第一下颚节之间的外胚层芽体发育而成。位置鳞翅目昆虫，脑后方的一对球状的器官，通过心侧体神经与脑相连，形成脑—心侧体—咽侧体体系；半翅目中，左右两个合并为一个中央腺；双翅目昆虫中，咽侧体、心侧体和前胸腺合并为一个环腺。舞毒蛾幼虫的神经/内分泌系统直翅目昆虫的内分泌系统双翅目昆虫的内分泌系统组成围膜和分泌细胞，内部细胞呈周期性变化。在分泌旺期，核和染色体增多，粗面内质网和核糖体大量聚集，合成JH的滑面内质网显著增加。功能咽侧体受到脑激素的刺激分泌保幼激素，分泌呈周期性变化的；另外又是释放神经激素的一个神经血器官。（四）前胸腺（Prothoraticgland）来源由第二下鄂节的外胚层的内陷发育而来。最早发现于家蚕前胸气门附近而得名，但具体位置，因昆虫种类不同而异。在低等昆虫（如蝗虫）位于头内，组织致密；但在某些昆虫中，则转移前胸气门附近，变为一对疏松的细胞串；在双翅目昆虫中，合并在环腺内。鳞翅目昆虫的前胸腺臭虫的前胸腺巨型蚕蛾蛹的前胸腺1762年，Lyonet发现前胸腺；此后日本科学家以家蚕为材料进行长期系统的研究，发现前胸腺在胚胎发育时由第二下颚节的外胚层细胞发育而成；20世纪40年代，发现前胸腺诱导家蚕化蛹；后发现前胸腺参与和控制幼虫蜕皮；1974年以离体培养家蚕的前胸腺，从所得分泌物证实，蜕皮激素由前胸腺分泌。同年美国学者Gilbert等人从烟草天蛾中也得到相似结果。前胸腺分泌细胞的分泌活性在幼虫期随幼虫蜕皮而呈现周期性变化。前胸腺一般在幼虫期分泌蜕皮激素特发达，至成虫期退化，但在无翅亚纲昆虫终生蜕皮，故终生存在。发育：有两种形式，分裂增殖和扩大细胞体积。飞蝗的前胸腺细胞l通过有丝分裂，总数不断增大，但在鳞翅目昆虫中，不进行有丝分裂，脉体随细胞体积而增大。功能：合成蜕皮激素，一种甾醇类物质。（五）环腺在双翅目昆虫中，咽侧体，心侧体和前胸腺合并成为一个环腺，又称魏氏腺，具有三者的功能。环腺脑前胃动脉食道（六）食道下神经节日本的福田和长谷川于1951年在家蚕中证明，咽下神经节可分泌滞育激素，调节蚕卵的滞育，并在1967年发现分泌滞育激素的细胞。二、激素的种类和功能昆虫激素可分成两大类：神经分泌细胞所合成的肽类激素；内分泌器官合成和分泌的激素，包括保幼激素和蜕皮激素。昆虫的激素按功能可分为下列6大类分别是：促腺体激素，形态发生激素，促肌激素，代谢激素，调色激素，促神经激素。1.促腺体激素——促进/抑制内分泌腺体的分泌活动，如胸激素。2.形态发生激素——控制个体发育的方向和速率以及形态特征的发生，前者如JH、MH、滞育激素，后者如鞣化激素。3.促肌激素——影响心脏、肠道、马氏管、输卵管及其它内脏肌的活动，如心跳加速因子和促肠道活动激素等。4.代谢激素——控制和影响物质代谢和能量代谢，如脂动员激素，高血糖激素/低血糖激素等。5.调色激素——影响皮细胞内色素移动，或直接改变体色的激素，如黑红色激素。6.促神经激素——对神经系统起调节作用，激发有关的行为与行动，如蜕壳激素，羽化激素，化蛹激素等。绝大多数激素在昆虫体内都存在。蜕皮激素也存在于甲壳纲动物体内。同一种激素其结构、来源和功能不是一成不变，如蜕皮激素。昆虫的生长发育、蜕皮和变态的发生是多种激素共同协调完成的，主要有五种，包括脑激素，保幼激素，蜕皮激素，鞣化激素和蜕壳激素。某些神经调质或神经递质（如章鱼胺）也具有激素功能。昆虫的激素非神经激素分泌部位靶标功能幼虫或若虫保幼激素咽侧体上皮细胞控制蜕皮后的虫态发育方向蜕皮激素蜕皮腺上皮细胞启动蜕皮成虫蜕皮激素卵巢组织滤泡细胞脂肪体调控卵黄原蛋白的合成保幼激素咽侧体脂肪体启动脂肪体合成Vg保幼激素咽侧体ARG′S影响性附腺的发育和腺体分泌保幼激素咽侧体滤泡细胞Vg的活化和滤泡细胞的开放昆虫的激素神经类激素分泌部位靶标功能PTTH脑前胸腺刺激发育，调控蜕皮鞣化激素中枢神经的神经节皮细胞鞣化和骨化蜕壳激素腺体腹神经节使羽化与光周期同步咽侧体抑制素脑咽侧体抑制JH分泌促咽侧体素脑咽侧体促进JH分泌利尿激素脑和胸部神经节马氏管控制马氏管夜流的分泌三激素作用的一般模式激素的作用机制因种类不同而异。蜕皮激素和保幼激素，分子量小，为非极性，可与细胞质或细胞核内的受体相结合，直接与DNA作用，导致某些基因失活或激活，表现为特定的生理和行为反应。水溶性肽类激素、神经递质及生长因子不能直接穿过细胞膜，而是与膜上的特异受体相结合，通过跨膜传递信息，对细胞发生作用。受体与信号分子具有很高的亲和力，它们结合后能转换为细胞内一个或多个信息，从而改变靶细胞的行为。激素与膜上的受体结合，一种是启动G蛋白偶联受体，腺苷酸环化酶活化，使得ATP变为AMP，活化蛋白激酶；另一种是与IP3R结合，产生三磷酸肌醇（IP3）和二酰基甘油（DAG），激活钙离子释放。四、昆虫的激素及功能（一）促前胸腺激素（PTTH）PTTH又称促蜕皮激素。在这几种激素中，PTTH是第一个被发现，结构最后被鉴定的激素。1917年Kopec的舞毒蛾幼虫结扎试验；1940年Wigglesworth发现吸血蝽脑内的神经分泌颗粒；1940年代Williams阐明脑与前胸腺的关系；1979年Agui及其同事通过显微解剖和微注射技术对烟草天蛾的神经分泌细胞功能特异性鉴别；1991年鉴定PTTH结构。五龄鳞翅目幼虫结扎和去头试验脑神经分泌细胞轴突传导试验证实神经进分泌物从脑部的神经分泌细胞通过轴突传导到心侧体的试验。当轴突被切断时，神经分泌物质积聚于截断处。Williams发现脑激素的功能-活化前胸腺。试验：休眠蛹分离成头胸部和腹部，分别移植进活性极强的脑，头胸部可羽化成虫，腹部不能；如果同时移植脑和前胸腺至腹部，腹部可变态为成虫。证明：脑分泌的激素可活化前胸腺，引起昆虫蜕皮。休眠蛹联体试验8个休眠蛹全部去除脑，在第一个休眠蛹中植入蛹脑（图A），7.5周后，全部羽化。PTTH的化学组成以家蚕体内研究最为深入。1950—80年代确认其化学结构为一类肽类化合物，最早分离到为家蚕素，以后才发现具有促前胸腺活性的PTTH。1987年从50头家蚕蛾头部分离到5μgPTTH，同时明确其N端氨基酸序列；300万头家蚕蛾，通过制作抗体、cDNA克隆等技术，推导出PTTH的全部氨基酸序列，并弄清了其合成过程。不同昆虫的PTTH具有多样性和种的特异性。PTTH的氨基酸序列PTTH的作用方式PTTH是一个肽类激素，不能穿过细胞膜进入细胞质内，因此其受体位于前胸腺的细胞膜上，其作用方式属第二信使系统。PTTH与膜上G蛋白偶联的受体结合，引起Ca2+变化，从而产生生理效应。PTTH的释放PTTH的释放与许多体内因子、营养状况和外部环境有关。烟草天蛾中PTTH的释放受到生物钟的调控，家蚕体内也有类似的机制。抑前胸腺神经肽1994年在蝗虫体内发现，后Bylaws等在麻蝇体内也发现类似肽。在家蚕脑中已成功分离出家蚕的抑前胸腺神经肽，是由9个氨基酸残基组成。其序列为：Ala-Trp-Gln-Asp-Leu-Asn-Se