筱 禾 编译



以昆虫瞬时受体电位(TRP)通道作为杀虫剂及驱避剂的靶标

筱 禾 编译

(上海农药研究所，上海 200032)

昆虫瞬时受体电位(TRP)通道是离子通道的一大类别，在几乎所有的感觉系统中发挥关键的信号传导作用。其他离子通道类别，特别是电压依赖性离子通道、配体门控离子通道和细胞内钙释放通道(鱼尼汀受体)长期以来被认为是最成功的杀虫剂靶标。但是最近才发现，TRP通道是探索已久的某些取食抑制剂类杀虫剂的靶标，使这类通道和感觉过程成为杀虫剂靶标的开发热点。最近还发现驱避剂香茅醛可激活TRPA1通道。由于感受和响应外部和内部刺激的能力对昆虫生存和繁殖至关重要，故TRP通道或可为害虫防治提供更多的备选靶标。

1 离子通道概述

离子通道是一种内在膜蛋白，含有能选择性地跨膜运输特定离子的狭窄的，充满水的跨膜孔以及参与通道开启和关闭或门控的细胞外和细胞内结构域。离子通道存在于所有细胞中，在调节细胞体积，建立静息膜电位，液体转运和细胞信号传导中发挥作用。

离子通道由4个或更多亚基或伪亚基紧密结合，形成双层脂膜的跨膜孔。也有少数类别的通道形成2个这样的跨膜孔。每一个亚基(伪亚基)有4个或更多个贯穿膜的跨膜-螺旋，一般共有20个或以上这种跨膜-螺旋参与跨膜孔，或根据它们的位置和序列有其他功能。跨膜孔周围的4~5个螺旋为其提供亲水性以及离子选择性，最外侧的螺旋则具有疏水残基，其面向周围双层脂膜并与其相互作用固定膜内的通道。其他区域将跨膜孔内螺旋保持在合适的位置，并且在适当信号的作用下移动它们以开启和关闭跨膜孔。离子从2个方向被动流过开放的通道，无代谢能量的输入。离子的净通量取决于离子的电化学梯度，即离子浓度差和膜电位差。

参与神经信号传导的大多数通道对Na+，K+，Cl－或Ca2+具有选择性，或是非选择性阳离子通道。Na+和Ca2+顺电化学梯度通过开放通道内流，细胞去极化兴奋。除了细胞膜去极化，Ca2+还可直接调节许多细胞内进程。K+在细胞内处于高浓度时，经通道外流，使细胞内部负电荷增多，具有抑制性或稳定细胞膜电位作用。需相等浓度的阴离子来平衡阳离子以达到电中性。细胞内的大多数阴离子是有机酸形成的，而细胞外Cl－浓度高，因此其往往通过开放的氯离子通道流入细胞，表现抑制性。非选择性阳离子通道通常使细胞去极化，因此根据电学原则是兴奋性的，也是由于允许Ca2+内流所致。

离子通道的概念起源于Hodgkin和Huxley提出的具有里程碑意义的神经动作电位解构，他们发现神经动作电位是由不同的Na+和K+传导途径产生的。利用“膜片钳”技术证实了通道的存在。通过基因测序现已知许多离子通道的蛋白序列。这些蛋白可在异源系统中常规表达，以便于对通道功能和结构进行测定。因为在脂质膜外结晶这些蛋白质有难度，故到目前为止，只获得了极少数离子通道的X射线晶体结构。谷氨酸门控氯离子通道中的大环内酯结合位点是唯一已经通过X射线晶体学表征的离子通道中杀虫剂结合位点。而利用冷冻电子显微镜(cryo-EM)进行离子通道结构测定的研究正以较快的速度增加，已有2个TRP通道的cryo-EM结构被公开。

植物、微生物、蛇、鱼、蝎、蜘蛛和其他动物产生的许多毒素通过破坏特定的离子通道而致效。离子通道也是许多杀虫剂的重要靶标位点，现行版本的IRAC(杀虫剂抗性行动委员会)作用机制分类中列举的27种杀虫剂作用机制中的9种为作用于离子通道(www.irac-online.org)。

2 TRP 通道

第一个TRP通道是在果蝇突变体中发现的，此突变体具有视觉障碍，视网膜电流图显示其对光的响应时间缩短。基因表达产物被鉴定为一种离子通道后，发现TRP通道是所有后生动物中保留的离子通道的超家族。此外，TRP通道也存在于原生生物、绿藻、领鞭虫类(choanoflagellates)和真菌中，发挥化学传感、热传感和机械力传感器的作用。因此，TRP通道出现在真核生物进化早期，但后来在植物中消失了。

TRP超家族包含约30个成员，根据序列的相似性分为7个家族：TRPC[典型(canonical)]、TRPA[锚蛋白(ankyrin)]、TRPV[香草酸(vanilloid)]、TRPN(nompC)、TRPM(melastatin)、TRPML (mucolipin)和TRPP(polycystic)。家族名字的第4个字母是指每个家族的一个或多个成员的一个方面，但不一定是所有成员。例如，TRPC通道与从上述突变体分离的果蝇TRP通道的同源性较高，TRPA通道在N末端胞质结构域中具有多个锚蛋白重复序列模体(Ankyrin repeat motifs)(尽管其他几个家族也是如此)，TRPV通道包括能被香草酸激活的亚型，而TRPN通道与NOMPC(No Mechanoreceptor Potential)通道相关，对机械力信号传导很重要。

TRP通道与电压依赖性离子通道具有序列相似性，但具有与物理和化学刺激多模态敏感性相关的延长的胞质C端和N端区域。与一些电压门控通道一样，TRP通道亚基有6个跨膜螺旋，组装为四聚体。在其他电压门控通道中，有4个伪亚基，每个包含6个跨膜螺旋，连接在一起作为单个蛋白质的结构域。

TRP通道在视觉、温度感觉(thermosensation)、嗅觉、味觉、湿度感觉(hygrosensation)、机械力感觉(mechanosensation)、细胞内信号传导、突触传递和离子体内平衡中发挥作用。可以设想通过中断以上任一种生物功能来防治某些昆虫。此外，TRP通道通常能被提供正常感觉经验的化学物质激活。例如，辣椒中的辣椒素激活哺乳动物热敏TRPV1通道产生热感，而薄荷醇激活TRPM8通道产生凉感。在从辣根、催泪气体等材料中发现的辛辣刺激物可激活TRPA1通道，俗称山葵(wasabi)受体。TRPV1和TRPA1通道是最早采用cryo-EM解析结构的TRP通道，进而对化学物质与这些通道的结合情况有了深入了解。辣椒素对TRPV1通道的亲合力为70 nM，在商品化杀虫剂的范围内。

黑腹果蝇()具有13个TRP通道，上述7个家族每家族至少有1个，表明所有的TRP通道家族在该昆虫分化之前已进化。在一项对6种昆虫基因组的调查中，发现这些昆虫均有13~14个TRP通道，包括2个TRPV，1个TRPN，1个TRPM，3个TRPC和1个TRPML。调查中的3种昆虫有1个TRPP通道，但鳞翅目家蚕()、膜翅目意蜂()、丽蝇蛹集金小蜂()则没有。TRPP被认为是最古老的TRP通道家族，甚至在酵母中也存在，后来在某些昆虫群体中消失了。

2.1 TRPC

除了TRP通道之外，蝇类还有一个TRPC家族成员，称为类TRP通道TRPL，与TRP一样参与光传导，另外还参与冷感觉。TRP是Ca2+选择性通道，而TRPL与其他大多数TRP通道一样，为非选择性阳离子通道，同样运输Ca2+。蝇类还具有一个TRPC通道——TRPγ，其为在本体感觉性弦音器官(chordotonal organs)中表达的非选择性阳离子通道，是控制精细运动所必需的，但在专门感知重力和声音的弦音器官——江氏器(Johnston’s organ)中并未发现该通道。

2.2 TRPP

存在于精子鞭毛中的果蝇TRPP通道是精子进入雌蝇受精囊所必需的。虽然受精的中断可能具有一定程度的害虫防治作用，但可能还不足用于杀虫剂的研究。哺乳动物多囊性肾病2的同源物Amo也称为PKD2，其在凋亡细胞吞噬清除期对细胞内Ca2+调节的作用尚不明确。

2.3 TRPM

单一果蝇TRPM通道在马氏管中表达，为从血淋巴去除Mg2+所必需，其突变后丧失功能会导致高镁血症，幼虫发育减慢，蛹前发育。该作用可因高镁饮食而加剧。其他TRP通道影响昆虫的感觉官能，它们的紊乱会干扰昆虫行为，TRPM则是唯一具有直接致死突变表型的TRP通道，因此是杀虫剂候选靶标之一。由于鳞翅目和鞘翅目等咀嚼式植食性昆虫的饮食中Mg2+含量高，故破坏TRPM通道可能尤为有效。

2.4. TRPML

在果蝇体内，TRPML为位于内溶酶体(endolysosomal)和质膜中的磷脂酰肌醇3,5-二磷酸激活阳离子通道。虽然TRPML突变体表现严重的神经变性和与受损线粒体自噬性清除作用的缺损相关的运动障碍以及溶酶体囊泡积累，但如果TRPML被化学物质破坏，还不明确这些影响使昆虫失去行动能力会有多快。

2.5 TRPN

果蝇TRPN1通道nompC(no mechanoreceptor potential C)是高度灵敏的各种果蝇机械力感觉神经元中的候选机械力信号传导通道。成蝇机械力感觉毛的末梢可感知温和的触觉。果蝇幼虫缺乏刚毛，体壁由2种类型的多树突机械力感觉神经元的树突树平铺而成。在这些神经元的IV类亚群中，非TRP通道的piezo通道传导强烈的、有害的触觉刺激，而在III类神经元nompC中传导温和的触觉。NompC在钟形感器(campaniform sensillae)传导表皮变形信号，在果蝇成蝇江氏器的听觉传导以及果蝇幼虫侧(pentascolopidial)弦音器检测振动中不可或缺。NOMPC也存在于足部弦音器官的纤毛顶端，它也可能参与本体感觉的感觉传导。由于NOMPC在触觉、听觉和本体感觉的敏感机械力感觉产生过程中的重要性以及这些感觉在社会互动和行为中的重要性，因此其可能是一个有效的杀虫靶标。无效突变体果蝇行为严重不协调，而化学修饰或可具有相同的效果。

2.6 TRPA

由于昆虫个体较小，缺乏体温调节能力，故其必须通过感受温度来寻求最适于生长和繁殖且未被严重破坏的微环境。果蝇有4种TRPA通道——TRPA1、Painless (Pain)、Pyrexia (Pyx)和water witch (Wtrw)。除Wtrw外，其他3种都参与温度感觉。果蝇的TRPA1、Pain、Pyx直接由温度变化门控，被称为thermoTRP。果蝇TRPV、TRPC和TRPP家族的成员也有一定温度感觉作用，但不是thermTRP，是主要温度感受器的下游部分。

果蝇TRPA1通道参与伤害刺激感受(检测有害触觉)、炎症及对异硫氰酸烯丙酯等有毒化学物质的敏感性。果蝇至少表达4种具不同N末端细胞内区域的TRPA1亚型，它们具有不同的温度感觉特性。TRPA1-A在26 ℃时开启，以感应舒适范围内的温度。TRPA1-D在34 ℃时打开，此温度太低则无法直接介导对39 ℃以上发生的有毒害作用的热(noxious heat)响应。尽管已知TRPA1、Pain(激活温度阈值为39~42 ℃)和Pyx (46 ℃时开启)3种thermTRP均参与对有毒害作用的热的响应，但这3种通道各自的作用还不明确。TRPA1还使幼虫躲避高强度光，但机制未知，也可能与味觉感受器相关。TRPA1的B和C亚型不具有温度敏感性，但所有的亚型均可被异硫氰酸烯丙酯激活。

膜翅目意蜂和丽蝇蛹集金小蜂没有TRPA1通道，但具有HsTRPAs(膜翅目特异性TRPAs)，由基因重组进化而来，为感知温度升高的温度感受器。因此有人提出在HsTRPA具有温度敏感性后，TRPA1就在膜翅目中丧失了。

TRPA1对温度波动的感知在控制昼夜节律和昆虫发育中也很重要。此外，哺乳动物和鸟类等恒温动物的外寄生虫利用基于TRPA1通道的热敏感来寻找寄主，并在这些寄主上找到最佳取食部位。事实上，植物源驱避剂香芹酚和-松油醇可激活瓦螨TRPA1L通道，但不激活蜜蜂的HsTRPA通道，抑制螨进入蜂群的巢房，表明了在养蜂中使用激活TRPA1的化合物防治害螨的潜力。TRPA1控制-Gq/磷脂酶C信号级联反应的下游，也是果蝇避开驱避剂香茅醛所需，而冈比亚按蚊()的TRPA1由香茅醛直接激活。

Pain和Pyx在有毒害影响的热感知中的作用已在上文提及。这2种通道也参与弦音器重力感知，Pain还参与强刺激机械力感知。

由于昆虫比表面积大，对湿度特别敏感，湿度感知对昆虫的生存至关重要。在果蝇触角第3节的特定感觉毛中表达，为感知潮湿空气和弦音器中的机械力感觉放大所必需(见下文)。

膜翅目、鞘翅目和鳞翅目的一些昆虫还有一个TRPA通道——TRPA5。目前暂未对此通道的功能进行研究，但其在触角中的表达表明它可能具有嗅觉功能。

2.7 TRPV

瞬时感受电位香草素受体亚家族离子通道(TRPV)是唯一已被确定的商业化杀虫剂的靶标TRP。昆虫有Nanchung(Nan)和Inactive(Iav)2个TRPV通道亚基，它们在果蝇中仅在弦音神经元(chordotonal neurons)中共表达，形成能被吡啶甲亚胺类(pyridine azomethine derivative)杀虫剂吡蚜酮和pyrifluquinazon激活的异聚体(heteromers)。弦音器是昆虫躯体大多数关节中具有的牵张受体，由关节连接部件的相对运动引起的牵张激活。在大多数关节中，弦音器官负责关节角度和运动，提供本体感觉，但是果蝇第2、3节触角间关节中的一个弦音器——被称为江氏器，负责触角在重力、风和声音影响下的运动，所以参与平衡、空气运动和听觉的感知。此外，许多昆虫还具有鼓膜听觉器官，其内一个弦音器传导薄表皮膜的感应，进行声音感知。

于1999年上市的吡蚜酮是一种内吸性杀虫剂，对刺吸式口器害虫具有显著的选择性，导致害虫立即从植物中取出口针和停止进一步探测等特定的行为效应，没有其他神经活性杀虫剂典型的击倒或麻痹作用。2007年推出的pyrifluquinazon是具有相似特性的吡蚜酮类似物。这2种杀虫剂可造成害虫不能进食继而饥饿，致死作用缓慢。关于这些杀虫剂的作用机制的第一个真实迹象是观察到以吡蚜酮饲喂或注射处理蝗虫可导致它们后足抬起，胫节伸展。以控制股胫关节的反馈环为模型的研究清晰地表明吡蚜酮特异性地激活了通常由关节屈曲激活的股骨弦音器官。神经系统错误地将关节记录为弯曲的，反射性地激活伸肌延长胫节。该化合物对“翅膀铰链”(wing hinge)和肩板(tegula)中的弦音器官具有相似的作用，但不影响腹板突上的感觉毛，胫节和亚前缘脉(subcostal vein)上的钟形感器或“翅膀铰链”中的非弦音牵张受体，即得出它对所有的弦音器官有选择性作用的结论。吡蚜酮同样可选择性地作用于螽斯鼓膜的弦音器、果蝇成虫的江氏器和果蝇幼虫pentascolopidial的弦音器，则进一步证实了这一结论。

弦音器官神经元具有特异性功能。作为声音、重力和风的传感器，蝇类昆虫的江氏器是最复杂的弦音器官之一，具有能感应不同频率振动以及风和重力的5个弦音神经元亚群。尽管对各类江氏器神经元的机械力传导机制尚不清楚，但所有这些神经元对机械刺激的神经反应都需要异源Nan-Iav TRPV通道，吡蚜酮和pyrifluquinazon对这些通道的活化激活了所有江氏器神经元以及幼虫pentascolopidial神经元中Ca2+信号传导，证实了所有弦音器官均受到吡蚜酮的影响。

表1 昆虫TRP通道及其功能，作为杀虫剂或驱避剂靶标的价值

其他TRP通道只对某些弦音神经元是必不可少的。而Iav或Nan的突变导致弦音神经功能丧失，中断听力和重力感知能力，无效nompC具有特定的 听觉缺陷。机械力感觉毛和其他机械力感觉器官也需要NompC才能产生正常的功能。在江氏器中需要TRP、TRPL、2个TRPC通道以及TRPA通道Wtrw进行机械力感觉放大，而TRPA通道基因和基因的突变干扰重力感知而非听觉。如上所述，这些通道还有其他感觉功能(表1)。上文也提及，本体感觉性弦音神经元中具有TRPC通道TRPγ，但江氏器中不需要。

Iav和Nan以异源TRPV通道的亚基在弦音神经元中同时存在，能被吡啶甲亚胺类杀虫剂激活，但两者单独分布时分布范围更广。Iav在运动神经元中表达(没有Nan)，可影响突触前静息Ca2+浓度，是突触发育和功能的重要调节剂。Nan在蝇幼虫的某些多树突神经元和果蝇的第3节触角的感觉毛中表达，对干燥空气作出响应，即Nan是避开干燥空气所必需的。由于Nan和Iav似乎没有形成功能性同聚物(functional homomers)，所以可能与所在细胞中的其他成分形成功能性异聚体(functional heteromers)，但是还未被证实。然而，吡蚜酮或pyrifluquinazon仅诱导弦音神经元中的钙信号，而不是在仅表达Nan的幼虫多树突神经元或成虫湿感受器中。

3 结 语

TRP通道在所有感觉形成过程中具有信号传导作用，通常可以被化学物质激活。随着对吡啶甲亚胺类杀虫剂吡蚜酮和pyrifluquinazon选择性激活昆虫TRPV通道的阐明，最近才了解了杀虫剂对TRP通道和感觉功能的具体作用。目前没有其他已知作用于TRP通道的杀虫剂，也还未明确其他11或12种昆虫TRP通道中哪种是合适的杀虫剂靶标。现已知香茅醛、香芹酚和-松油醇等一些驱避剂作用于TRPA1通道。由于膜翅目昆虫缺乏TRPA1通道，故已对TRPA1作为瓦螨等蜜蜂寄生虫的驱避剂的适合靶标进行了研究。

10.16201/j.cnki.cn31-1827/tq.2017.02.02

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2016-03-31。