Войти
Ювенильные гормоны ( ЮГ) представляют собой группу ациклических сесквитерпеноидов, которые регулируют многие аспекты физиологии насекомых. Первое открытие JH было сделано Винсентом Вигглсвортом. JH регулируют развитие, размножение, диапаузу и полифенизмы.
У насекомых JH (ранее называвшийся неотенином) относится к группе гормонов, которые обеспечивают рост личинки, предотвращая метаморфоз. Из-за своего жесткого экзоскелета насекомые растут в своем развитии, последовательно сбрасывая экзоскелет (процесс, известный как линька ).
Несовершеннолетние гормоны секретируются парой эндокринных желез позади мозга называется корпусами allata. JH также важны для производства яиц у самок насекомых.
JH был выделен в 1965 году Карелом Сламой и Кэрроллом Уильямсом, а первая молекулярная структура из последних шести была решена в 1967 году.
Большинство видов насекомых содержат только ювенильный гормон роста (JH) III. На сегодняшний день JH 0, JH I и JH II идентифицированы только у чешуекрылых (бабочек и мотыльков). Форма JHB 3 ( бисепоксид JH III), по-видимому, является наиболее важным JH у двукрылых или мух. Было показано, что некоторые виды ракообразных продуцируют и секретируют метил фарнезоат, ювенильный гормон III, лишенный эпоксидной группы. Считается, что метил фарнезоат играет роль, аналогичную роли JH у ракообразных.
Будучи сесквитерпеноидом, JH по химической структуре значительно отличается от структуры других гормонов животных. Некоторые аналоги JH были обнаружены у хвойных пород.
Первичный контроль ювенильного гормона заключается в 1) стимуляции аллатотропных тел короткими пептидами, которые связываются с рецепторами, связанными с G-белком, которые сигнализируют железам о выработке JH, и 2) ингибированием продукции JH аллатостатинами. Они делятся на три класса: аллатостатин A, аллатостатин B и аллатостатин C (обзор этих механизмов контроля см.: Stay and Woodhead 1993). Вторичным контролем титра JH, обнаруженного в гемолимфе развивающегося насекомого, является метаболическая инактивация JH JH-специфической эстеразой и эпоксидгидролазой ювенильного гормона. Во время шелушения форма старой кутикулы, отложившейся перед следующей линькой, контролируется уровнем JH у насекомого. JH поддерживает юношеское состояние. Уровень постепенно снижается по мере развития насекомого, позволяя ему переходить в следующие возрастные стадии с каждой линькой.
Это было продемонстрировано в различных исследованиях, в первую очередь в исследовании В. Б. Вигглсворта в 1960-х годах. В этом исследовании кровеносные системы двух взрослых Rhodnius были связаны, что обеспечивало одинаковый титр JH в обоих. Один из них был третьей стадии Rhodnius, другой был четвертый возрастной стадии. Когда тела насекомых третьей стадии были удалены, уровень JH у обоих насекомых был равен таковому у животных четвертой стадии, и, следовательно, оба перешли к пятой стадии при следующей линьке. Когда четвертая возрастная стадия Rhodnius имела его корпуса allata удалены, и содержит третий уровень JH - й стадию и, следовательно, один приступил к четыре возрасту, а другие остались на этой возрастной стадии.
Как правило, удаление аллатных тел у молодых особей приводит к тому, что при следующей линьке взрослые особи становятся крошечными. Имплантация аллатных тел в последние личиночные стадии повысит уровни JH и, следовательно, приведет к появлению сверхновой (дополнительной) ювенильной стадии и т. Д.
Существует сложное взаимодействие между JH, гормоном экдизоном и вителлогенином. На стадии развития, пока имеется достаточное количество JH, экдизон способствует линьке от личинки к личинке. При меньшем количестве JH экдизон способствует окукливанию. Полное отсутствие JH приводит к формированию взрослой особи. У взрослых медоносных пчел титры JH и вителлогенина в целом показывают обратную картину.
Титры JH у рабочих медоносных пчел постепенно увеличиваются в течение первых 15 дней жизни рабочего до начала кормодобывания. В течение первых 15 дней рабочие выполняют задачи внутри улья, такие как уход за личинками, конструирование сот и чистка клеток. Пик титров JH приходится на 15 день; Рабочие этого возраста охраняют, удаляют мертвых пчел из колонии и весят у входа в колонию, чтобы охладить гнездо. Агрессивность сторожевых пчел коррелирует с их уровнем JH в крови. Несмотря на то, что у охранников высокий уровень JH, их яичники относительно неразвиты. Хотя JH не активирует добычу пищи. Скорее, он участвует в управлении темпами, с которыми пчелы превращаются в собирателей.
Титры вителлогенина высокие в начале взрослой жизни и постепенно снижаются.
Известно, что JH участвует в дифференциации касты царица-рабочая на личиночной стадии. Уникальная отрицательная связь между JH и вителлогенином может быть важна для понимания долгожительства матки.
JH у многих видов бабочек и моли необходимы для производства и высвобождения полового феромона самками. Эксперименты, проведенные с Mythimna unipuncta (настоящая совка-совка) и Agrotis ipsilon (черная совка-совка), показали, что удаление всего тела, которое выделяет JH, останавливает высвобождение половых феромонов. Кроме того, JH важен для развития яичников. На черной совке было показано, что JH также необходим самцам для реакции на феромоны. Также было показано, что JH передается от самца к самке Heliothis virescens во время совокупления.
все ювенильные гормоны Синтетические аналоги ювенильного гормона используются в качестве инсектицида, предотвращающего развитие личинок во взрослых насекомых. Сам JH дорог в синтезе и нестабилен на свету. При высоком уровне JH личинки все еще могут линять, но результатом будет только личинка большего размера, а не взрослая особь. Таким образом нарушается репродуктивный цикл насекомого. Один аналог JH, метопрен, одобрен ВОЗ для использования в цистернах с питьевой водой для борьбы с личинками комаров из-за его исключительно низкой токсичности (LD50gt; 35000 мг / кг для крыс).
Ювенильный гормон вырабатывается аллатами насекомых. JH будет распространяться по гемолимфе и действовать на реагирующие ткани. JH в основном разлагается ферментами эстеразы ювенильного гормона (JHE) или эпоксидгидролазой ювенильного гормона (JHEH). JHE и JHEH оба приводят к подавлению передачи сигналов и ответа JH. Ткани, чувствительные к JH, могут продуцировать один или оба этих фермента.
JH стимулирует добавочные железы взрослых мужчин, способствуя их росту и выработке секрета дополнительных желез. Производство желтка ( вителлогенез ) в женских яичниках также стимулируется действием JH. JH также может регулировать репродуктивное поведение у обоих полов.
Было обнаружено, что регуляторы роста насекомых (IGR), такие как ювенильные гормоны и гормоны линьки или их аналоги ( ювеноиды и экдизоиды), при разумном использовании могут быть полезны в культивировании насекомых, таком как промышленность шелководства ( шелководство ). Кроме того, экдизоиды также демонстрируют множество других применений, таких как инсектицид, в качестве биохимического инструмента в исследованиях экспрессии генов, как ранозаживляющие и анаболические агенты (агенты для бодибилдинга с усилением синтеза белка), в качестве нутрицевтиков и косметических средств (рост волос) IGR встречаются в насекомые в очень малых количествах и не являются практическим источником этих фитохимических веществ. Однако с обнаружением их присутствия в значительных количествах у некоторых растений IGR и их аналоги стали легко доступны в значительных количествах. В результате было открыто много новых видов биологической активности экдизоидов и ювеноидов. Помимо использования в шелководстве, они нашли применение в пчеловодстве и аквакультуре (креветки). Экдизоиды проявляют замечательную анаболическую активность у человека и очень востребованы в качестве нутрицевтиков (пищевых добавок), в том числе средства для построения тела. Осознавая экономический потенциал IGR, была проведена биоразведка на предмет этих соединений из местных растительных источников. Исследования показывают, что большое количество растений, принадлежащих к разным таксонам, содержат IGR.
Активность ювенильного гормона нарушается двумя ферментами. JH эстераза расщепляет метиловый эфир, давая JH кислоту. Кислота JH присоединяется эпоксидгидролазой JH, которая превращает эпоксидную группу в диол. Порядок дробления зависит от отряда насекомого. У чешуекрылых порядок такой, как здесь; расщепление сложного эфира, предшествующее гидратации эпоксида. Либо прекращает действие гормона. JH-диоловая кислота, продукт обоих ферментов, подвергается действию JH-диолкиназы, повышая растворимость для выведения.
Биосинтез JH сходен с биосинтезом холестерина у животных. Существуют значительные различия между биосинтезом гомоизопреноидных JH, обнаруженных почти исключительно у чешуекрылых, в отличие от изопреноидов JH III, бисепоксида JH III и метил фарнезоата, обнаруженных у других насекомых.
Биосинтез холестерина исчерпывающе изучен на животных. Все этапы происходят в цитозоле. Исходным материалом является цитрат, который экспортируется митохондриями при высоком уровне метаболизма топлива. Он превращается в ацетил-КоА, АДФ, CO 2 и оксалоацетат под действием АТФ-цитратлиазы вместе с АТФ и CoASH в качестве субстратов. Три ацетил-КоА превращаются в ГМГ-КоА цитозольными изоформами тиолазы и 3-гидрокси-3-метилглутарил-КоА-синтазы. Затем HMG-CoA восстанавливается NADPH до мевалоната с помощью HMG-CoA редуктазы, фермента, регулирующего скорость биосинтеза холестерина. Этот фермент имеет 8 спиральных доменов, закрепляющих его в мембране Гольджи ER; каталитический домен находится в цитозоле. Он сильно ингибируется статинами, классом лекарств на основе метаболита плесени, который, по крайней мере, когда-то был самым продаваемым классом лекарств в мире. На мевалонат действует серия из 3 киназ с образованием высоколабильного 1,2-дифосфомевалонат-3-фосфата, на который действует лиаза с образованием фосфата, CO 2 и изопентенилдифосфата. Изопентенилдифосфат-изомераза превращает последний в менее стабильный диметилаллилдифосфат. Фарнезилдифосфатсинтаза принимает один DMAPP и два IPP, чтобы дать C 15 метаболит фарнезилдифосфат. Существует большое количество дополнительных шагов по выработке холестерина из IPP, повсеместного предшественника всех изопреноидов.
Похоже, что биосинтез JH III идентичен биосинтезу холестерина, от продукции IPP до FPP, хотя, по-видимому, нет исследований по экспорту цитрата или других метаболитов из митохондрии в цитозоль или образованию ацетил-КоА. Ферменты этого пути были впервые изучены на Manduca sexta, который продуцирует как гомоизопреноидные, так и изопреноидные (JHIII) JH.
Очень рано было показано, что пропионат очень эффективно включается в JH II и JH I в бесклеточных экстрактах M. sexta] corpora allata. Мевалонат и ацетат также включаются в JH I, II, JH III из M. sexta, хотя и гораздо менее эффективно, чем пропионат. Jennings et al. показали, что гомомевалонат встраивается в JH II M. sexta. Бейкер идентифицировал 3-гидрокси-3-этилглутарат и 3-гидрокси-3-метилглутарат из того же источника фермента, инкубированных с ацетилом и пропионил-КоА. Ли и др. показали, что один и тот же источник ферментов эффективно производит как мевалонат, так и его 3-этил-гомолог, гомомевалонат. Берго показал, что мевалонат и гомомевалонат, продуцируемые этими ферментами, имеют ту же конфигурацию оптических изомеров 3S, что и ферменты позвоночных. Бейкер показал, что изопентенилдифосфат и его гомолог, 3-этилбутенилдифосфат (гомоизопентенилдифосфат) метаболизируются до соответствующих им аллиловых дифосфатов, DMAPP и гомоDMAPP (3-этил-3-метилаллилдифосфат). Последний необходим для биосинтеза JH I, JH II и 4-метилJH I. 2 единицы гомоДМАПП необходимы для биосинтеза JH I и 4-метил JH I и одна - для биосинтеза JH II.
Все части карбонового каркаса производятся IPP. Затем фермент пренилтрансфераза / фарнезилдифосфатсинтаза связывает IPP, удаляет с него дифосфат, чтобы получить аллильный карбокатион, и добавляет его к IPP, чтобы получить геранилдифосфат (C 10). Затем то же самое происходит с геранилдифосфатом, давая фарнезилдифосфат (C 15). Эта реакция, по-видимому, единственная известная ферментативная реакция, включающая связывание двух молекул с карбокатионом. Пара свободных электронов присоединяется к двойной связи IPP, также изомеризуя IPP, так что продукт представляет собой аллильный дифосфат. Таким образом, эта часть изопреноидного пути практически идентична таковой для холестерина, за исключением специфичных для насекомых гомоизопреноидных единиц. НАД + -зависимая фарнезолдегидрогеназа, фермент телесного происхождения, участвующий в синтезе ювенильного гормона, показала, что один и тот же источник ферментов эффективно производит как мевалонат, так и его 3-этил-гомолог, гомомевалонат.
Абсолютная конфигурация гомомевалоната и 3-гидрокси-3-этилглутарила и 3-гидрокси-3-метилглутарил-кофермента а, продуцируемых бесклеточными экстрактами тел насекомых allata. Предупреждение о предсказании абсолютной стереохимии на основе порядка элюирования диастереомерных производных методом жидкостной хроматографии. показали, что мевалонат и гомомевалонат, продуцируемые этими ферментами, имеют ту же конфигурацию оптического изомера 3S, что и ферменты позвоночных, показали, что изопентенилдифосфат и его гомолог 3-этилбутенилдифосфат (гомоизопентенилдифосфат) метаболизируются до соответствующих им аллических дифосфатов, DMAPP и гомоДМАПП (3-этил-3-метилаллилдифосфат). Последний необходим для биосинтеза JH I, JH II и 4-метилJH I. 2 единицы гомоДМАПП необходимы для биосинтеза JH I и 4-метил JH I и одна - для биосинтеза JH II.
Однако на данный момент эти пути расходятся. В то время как подавляющее большинство фарнезилдифосфата превращается в конечном итоге в холестерин у животных, у насекомых он, по-видимому, действует под действием дифосфатазы, давая фарнезол, на который, в свою очередь, действует НАД + -зависимый фермент, фарнезол / фарнезалдегидрогеназа у M. sexta до дать фарнезоевую кислоту. Последующая работа показала, что фермент очень специфичен к трансаллильным спиртам, содержащим по крайней мере три изопреновых звена, а также присутствует в комарах.
Следующие этапы биосинтеза JH различаются между порядками. У чешуекрылых и комаров фарнезоевая кислота или ее гомологи эпоксидируются P450-зависимой метилэпоксидазой фарнезоевой кислоты, затем метилируются кислотной метилтрансферазой JH. В большинстве случаев фарнезоевая кислота метилируется метилтрансферазой фарензоевой кислоты, а затем эпоксидируется P450-зависимые метилтрансферасы.
Недавняя публикация Nouzova et al. (2015) показывают, что аллатостатин C, пептид, который ингибирует продукцию JH телами allata, блокирует транспорт цитрата из митохондрии у Aedes aegypti. Это очень логичный механизм контроля биосинтеза JH.
