家蚕脑的蛋白质组学分析及杆状病毒诱导家蚕行为变化的分子机制研究

【摘要】：一个世纪之前人们就已经发现杆状病毒能够诱导它们的鳞翅目昆虫宿主产生异常活跃的行为。家蚕作为一种典型的鳞翅目昆虫,在受到家蚕核型多角体病毒(Bombyx mori nucleopolyhedrovirus, BmNPV)感染后,同样会出现行为活性增强(enchanced locomotor activity)的现象。关于这其中的分子机制,已有的研究主要聚焦在家蚕杆状病毒本身,并鉴定到引起家蚕行为异常的杆状病毒的具体基因,但家蚕自身在分子水平上发生的变化却未有报道。基于脑是行为控制中心这一理论,我们首先利用shotgun技术对家蚕脑总蛋白进行鉴定,以了解家蚕脑的蛋白质组成,并对于行为调控相关的蛋白有一个全面的认识。然后我们对BmNPV感染家蚕神经系统的进程以及BmNPV感染后家蚕脑进行了组织和神经病理学分析,并进一步利用RNA-Seq技术比较了BmNPV感染前后家蚕脑的转录组图谱,以揭示病毒感染对脑组织转录水平上的影响。最后,基于血清素受体调控行为的相关研究,我们从得到的差异基因中选取了家蚕血清素受体基因Bm5-HT4R作为研究对象,分析了它与家蚕运动行为活性的相关性。研究结果如下：1、利用shotgun技术在家蚕脑中共鉴定到2,210种蛋白质,通过GO和KEGG分析,获得了与多种行为(运动行为、繁殖行为以及学习行为等)调控和与神经系统的发育和功能调控相关的蛋白质。2、阐明了BmNPV感染家蚕脑组织的具体进程,病毒在感染后的48 h-120 h逐渐从脑周边入侵至脑内部,最后布满整个脑组织,BmNPV感染导致家蚕脑中央复合体处的组织形态以及神经形态出现病变。3、转录组分析表明,与未感染家蚕相比,BmNPV感染的家蚕脑中共获得742个差异表达基因,包括218个上调基因和524个下调基因。通过GO、KEGG以及COG分析,分别有499、117和144个差异表达基因可以进行GO、KEGG pathway以及COG功能分类。从这些差异基因的功能类别以及信号途径类别中进行筛选,主要分析了参与家蚕生物钟节律、突触传递以及血清素信号途径的差异基因。这些差异基因在BmNPV感染的家蚕脑中都呈现表达量下调的趋势,根据以前的研究报道它们参与调控多种行为模式,因此我们推测它们对于家蚕的运动行为活性也起重要的调控作用,并且参与调控BmNPV诱导家蚕出现运动行为活性增强这一现象。4、对家蚕血清素受体Bm5-HT4R的研究表明,该受体蛋白含有七个跨膜域,与哺乳动物中已知的5-HT4受体蛋白具有很高的序列同源性,主要分布在家蚕脑组织中,在血淋巴、腹神经索和中肠中也有较高的表达,而在其他组织中的表达量相对较低。RNAi的实验结果表明Bm5-HT4R在调控家蚕运动行为活性中发挥重要作用。本研究结果为深入研究家蚕BmNPV诱导的家蚕行为活性增强的分子机制提供了理论依据,同时也为进一步了解家蚕脑调控行为以及神经系统发育的分子机制提供了参考。