以昆蟲瞬時受體電位(TRP)通道作為殺蟲劑及驅避劑的靶標

筱 禾 編譯

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以昆蟲瞬時受體電位(TRP)通道作為殺蟲劑及驅避劑的靶標

筱 禾 編譯

(上海農藥研究所，上海 200032)

昆蟲瞬時受體電位(TRP)通道是離子通道的一大類別，在幾乎所有的感覺系統中發揮關鍵的信號傳導作用。其他離子通道類別，特別是電壓依賴性離子通道、配體門控離子通道和細胞內鈣釋放通道(魚尼汀受體)長期以來被認為是最成功的殺蟲劑靶標。但是最近才發現，TRP通道是探索已久的某些取食抑制劑類殺蟲劑的靶標，使這類通道和感覺過程成為殺蟲劑靶標的開發熱點。最近還發現驅避劑香茅醛可激活TRPA1通道。由于感受和響應外部和內部刺激的能力對昆蟲生存和繁殖至關重要，故TRP通道或可為害蟲防治提供更多的備選靶標。

1 離子通道概述

離子通道是一種內在膜蛋白，含有能選擇性地跨膜運輸特定離子的狹窄的，充滿水的跨膜孔以及參與通道開啟和關閉或門控的細胞外和細胞內結構域。離子通道存在于所有細胞中，在調節細胞體積，建立靜息膜電位，液體轉運和細胞信號傳導中發揮作用。

離子通道由4個或更多亞基或偽亞基緊密結合，形成雙層脂膜的跨膜孔。也有少數類別的通道形成2個這樣的跨膜孔。每一個亞基(偽亞基)有4個或更多個貫穿膜的跨膜-螺旋，一般共有20個或以上這種跨膜-螺旋參與跨膜孔，或根據它們的位置和序列有其他功能。跨膜孔周圍的4~5個螺旋為其提供親水性以及離子選擇性，最外側的螺旋則具有疏水殘基，其面向周圍雙層脂膜并與其相互作用固定膜內的通道。其他區域將跨膜孔內螺旋保持在合適的位置，并且在適當信號的作用下移動它們以開啟和關閉跨膜孔。離子從2個方向被動流過開放的通道，無代謝能量的輸入。離子的凈通量取決于離子的電化學梯度，即離子濃度差和膜電位差。

參與神經信號傳導的大多數通道對Na+，K+，Cl－或Ca2+具有選擇性，或是非選擇性陽離子通道。Na+和Ca2+順電化學梯度通過開放通道內流，細胞去極化興奮。除了細胞膜去極化，Ca2+還可直接調節許多細胞內進程。K+在細胞內處于高濃度時，經通道外流，使細胞內部負電荷增多，具有抑制性或穩定細胞膜電位作用。需相等濃度的陰離子來平衡陽離子以達到電中性。細胞內的大多數陰離子是有機酸形成的，而細胞外Cl－濃度高，因此其往往通過開放的氯離子通道流入細胞，表現抑制性。非選擇性陽離子通道通常使細胞去極化，因此根據電學原則是興奮性的，也是由于允許Ca2+內流所致。

離子通道的概念起源于Hodgkin和Huxley提出的具有里程碑意義的神經動作電位解構，他們發現神經動作電位是由不同的Na+和K+傳導途徑產生的。利用“膜片鉗”技術證實了通道的存在。通過基因測序現已知許多離子通道的蛋白序列。這些蛋白可在異源系統中常規表達，以便于對通道功能和結構進行測定。因為在脂質膜外結晶這些蛋白質有難度，故到目前為止，只獲得了極少數離子通道的X射線晶體結構。谷氨酸門控氯離子通道中的大環內酯結合位點是唯一已經通過X射線晶體學表征的離子通道中殺蟲劑結合位點。而利用冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)進行離子通道結構測定的研究正以較快的速度增加，已有2個TRP通道的cryo-EM結構被公開。

植物、微生物、蛇、魚、蝎、蜘蛛和其他動物產生的許多毒素通過破壞特定的離子通道而致效。離子通道也是許多殺蟲劑的重要靶標位點，現行版本的IRAC(殺蟲劑抗性行動委員會)作用機制分類中列舉的27種殺蟲劑作用機制中的9種為作用于離子通道(www.irac-online.org)。

2 TRP 通道

第一個TRP通道是在果蠅突變體中發現的，此突變體具有視覺障礙，視網膜電流圖顯示其對光的響應時間縮短。基因表達產物被鑒定為一種離子通道后，發現TRP通道是所有后生動物中保留的離子通道的超家族。此外，TRP通道也存在于原生生物、綠藻、領鞭蟲類(choanoflagellates)和真菌中，發揮化學傳感、熱傳感和機械力傳感器的作用。因此，TRP通道出現在真核生物進化早期，但后來在植物中消失了。

TRP超家族包含約30個成員，根據序列的相似性分為7個家族：TRPC[典型(canonical)]、TRPA[錨蛋白(ankyrin)]、TRPV[香草酸(vanilloid)]、TRPN(nompC)、TRPM(melastatin)、TRPML (mucolipin)和TRPP(polycystic)。家族名字的第4個字母是指每個家族的一個或多個成員的一個方面，但不一定是所有成員。例如，TRPC通道與從上述突變體分離的果蠅TRP通道的同源性較高，TRPA通道在N末端胞質結構域中具有多個錨蛋白重復序列模體(Ankyrin repeat motifs)(盡管其他幾個家族也是如此)，TRPV通道包括能被香草酸激活的亞型，而TRPN通道與NOMPC(No Mechanoreceptor Potential)通道相關，對機械力信號傳導很重要。

TRP通道與電壓依賴性離子通道具有序列相似性，但具有與物理和化學刺激多模態敏感性相關的延長的胞質C端和N端區域。與一些電壓門控通道一樣，TRP通道亞基有6個跨膜螺旋，組裝為四聚體。在其他電壓門控通道中，有4個偽亞基，每個包含6個跨膜螺旋，連接在一起作為單個蛋白質的結構域。

TRP通道在視覺、溫度感覺(thermosensation)、嗅覺、味覺、濕度感覺(hygrosensation)、機械力感覺(mechanosensation)、細胞內信號傳導、突觸傳遞和離子體內平衡中發揮作用。可以設想通過中斷以上任一種生物功能來防治某些昆蟲。此外，TRP通道通常能被提供正常感覺經驗的化學物質激活。例如，辣椒中的辣椒素激活哺乳動物熱敏TRPV1通道產生熱感，而薄荷醇激活TRPM8通道產生涼感。在從辣根、催淚氣體等材料中發現的辛辣刺激物可激活TRPA1通道，俗稱山葵(wasabi)受體。TRPV1和TRPA1通道是最早采用cryo-EM解析結構的TRP通道，進而對化學物質與這些通道的結合情況有了深入了解。辣椒素對TRPV1通道的親合力為70 nM，在商品化殺蟲劑的范圍內。

黑腹果蠅()具有13個TRP通道，上述7個家族每家族至少有1個，表明所有的TRP通道家族在該昆蟲分化之前已進化。在一項對6種昆蟲基因組的調查中，發現這些昆蟲均有13~14個TRP通道，包括2個TRPV，1個TRPN，1個TRPM，3個TRPC和1個TRPML。調查中的3種昆蟲有1個TRPP通道，但鱗翅目家蠶()、膜翅目意蜂()、麗蠅蛹集金小蜂()則沒有。TRPP被認為是最古老的TRP通道家族，甚至在酵母中也存在，后來在某些昆蟲群體中消失了。

2.1 TRPC

除了TRP通道之外，蠅類還有一個TRPC家族成員，稱為類TRP通道TRPL，與TRP一樣參與光傳導，另外還參與冷感覺。TRP是Ca2+選擇性通道，而TRPL與其他大多數TRP通道一樣，為非選擇性陽離子通道，同樣運輸Ca2+。蠅類還具有一個TRPC通道——TRPγ，其為在本體感覺性弦音器官(chordotonal organs)中表達的非選擇性陽離子通道，是控制精細運動所必需的，但在專門感知重力和聲音的弦音器官——江氏器(Johnston’s organ)中并未發現該通道。

2.2 TRPP

存在于精子鞭毛中的果蠅TRPP通道是精子進入雌蠅受精囊所必需的。雖然受精的中斷可能具有一定程度的害蟲防治作用，但可能還不足用于殺蟲劑的研究。哺乳動物多囊性腎病2的同源物Amo也稱為PKD2，其在凋亡細胞吞噬清除期對細胞內Ca2+調節的作用尚不明確。

2.3 TRPM

單一果蠅TRPM通道在馬氏管中表達，為從血淋巴去除Mg2+所必需，其突變后喪失功能會導致高鎂血癥，幼蟲發育減慢，蛹前發育。該作用可因高鎂飲食而加劇。其他TRP通道影響昆蟲的感覺官能，它們的紊亂會干擾昆蟲行為，TRPM則是唯一具有直接致死突變表型的TRP通道，因此是殺蟲劑候選靶標之一。由于鱗翅目和鞘翅目等咀嚼式植食性昆蟲的飲食中Mg2+含量高，故破壞TRPM通道可能尤為有效。

2.4. TRPML

在果蠅體內，TRPML為位于內溶酶體(endolysosomal)和質膜中的磷脂酰肌醇3,5-二磷酸激活陽離子通道。雖然TRPML突變體表現嚴重的神經變性和與受損線粒體自噬性清除作用的缺損相關的運動障礙以及溶酶體囊泡積累，但如果TRPML被化學物質破壞，還不明確這些影響使昆蟲失去行動能力會有多快。

2.5 TRPN

果蠅TRPN1通道nompC(no mechanoreceptor potential C)是高度靈敏的各種果蠅機械力感覺神經元中的候選機械力信號傳導通道。成蠅機械力感覺毛的末梢可感知溫和的觸覺。果蠅幼蟲缺乏剛毛，體壁由2種類型的多樹突機械力感覺神經元的樹突樹平鋪而成。在這些神經元的IV類亞群中，非TRP通道的piezo通道傳導強烈的、有害的觸覺刺激，而在III類神經元nompC中傳導溫和的觸覺。NompC在鐘形感器(campaniform sensillae)傳導表皮變形信號，在果蠅成蠅江氏器的聽覺傳導以及果蠅幼蟲側(pentascolopidial)弦音器檢測振動中不可或缺。NOMPC也存在于足部弦音器官的纖毛頂端，它也可能參與本體感覺的感覺傳導。由于NOMPC在觸覺、聽覺和本體感覺的敏感機械力感覺產生過程中的重要性以及這些感覺在社會互動和行為中的重要性，因此其可能是一個有效的殺蟲靶標。無效突變體果蠅行為嚴重不協調，而化學修飾或可具有相同的效果。

2.6 TRPA

由于昆蟲個體較小，缺乏體溫調節能力，故其必須通過感受溫度來尋求最適于生長和繁殖且未被嚴重破壞的微環境。果蠅有4種TRPA通道——TRPA1、Painless (Pain)、Pyrexia (Pyx)和water witch (Wtrw)。除Wtrw外，其他3種都參與溫度感覺。果蠅的TRPA1、Pain、Pyx直接由溫度變化門控，被稱為thermoTRP。果蠅TRPV、TRPC和TRPP家族的成員也有一定溫度感覺作用，但不是thermTRP，是主要溫度感受器的下游部分。

果蠅TRPA1通道參與傷害刺激感受(檢測有害觸覺)、炎癥及對異硫氰酸烯丙酯等有毒化學物質的敏感性。果蠅至少表達4種具不同N末端細胞內區域的TRPA1亞型，它們具有不同的溫度感覺特性。TRPA1-A在26 ℃時開啟，以感應舒適范圍內的溫度。TRPA1-D在34 ℃時打開，此溫度太低則無法直接介導對39 ℃以上發生的有毒害作用的熱(noxious heat)響應。盡管已知TRPA1、Pain(激活溫度閾值為39~42 ℃)和Pyx (46 ℃時開啟)3種thermTRP均參與對有毒害作用的熱的響應，但這3種通道各自的作用還不明確。TRPA1還使幼蟲躲避高強度光，但機制未知，也可能與味覺感受器相關。TRPA1的B和C亞型不具有溫度敏感性，但所有的亞型均可被異硫氰酸烯丙酯激活。

膜翅目意蜂和麗蠅蛹集金小蜂沒有TRPA1通道，但具有HsTRPAs(膜翅目特異性TRPAs)，由基因重組進化而來，為感知溫度升高的溫度感受器。因此有人提出在HsTRPA具有溫度敏感性后，TRPA1就在膜翅目中喪失了。

TRPA1對溫度波動的感知在控制晝夜節律和昆蟲發育中也很重要。此外，哺乳動物和鳥類等恒溫動物的外寄生蟲利用基于TRPA1通道的熱敏感來尋找寄主，并在這些寄主上找到最佳取食部位。事實上，植物源驅避劑香芹酚和-松油醇可激活瓦螨TRPA1L通道，但不激活蜜蜂的HsTRPA通道，抑制螨進入蜂群的巢房，表明了在養蜂中使用激活TRPA1的化合物防治害螨的潛力。TRPA1控制-Gq/磷脂酶C信號級聯反應的下游，也是果蠅避開驅避劑香茅醛所需，而岡比亞按蚊()的TRPA1由香茅醛直接激活。

Pain和Pyx在有毒害影響的熱感知中的作用已在上文提及。這2種通道也參與弦音器重力感知，Pain還參與強刺激機械力感知。

由于昆蟲比表面積大，對濕度特別敏感，濕度感知對昆蟲的生存至關重要。在果蠅觸角第3節的特定感覺毛中表達，為感知潮濕空氣和弦音器中的機械力感覺放大所必需(見下文)。

膜翅目、鞘翅目和鱗翅目的一些昆蟲還有一個TRPA通道——TRPA5。目前暫未對此通道的功能進行研究，但其在觸角中的表達表明它可能具有嗅覺功能。

2.7 TRPV

瞬時感受電位香草素受體亞家族離子通道(TRPV)是唯一已被確定的商業化殺蟲劑的靶標TRP。昆蟲有Nanchung(Nan)和Inactive(Iav)2個TRPV通道亞基，它們在果蠅中僅在弦音神經元(chordotonal neurons)中共表達，形成能被吡啶甲亞胺類(pyridine azomethine derivative)殺蟲劑吡蚜酮和pyrifluquinazon激活的異聚體(heteromers)。弦音器是昆蟲軀體大多數關節中具有的牽張受體，由關節連接部件的相對運動引起的牽張激活。在大多數關節中，弦音器官負責關節角度和運動，提供本體感覺，但是果蠅第2、3節觸角間關節中的一個弦音器——被稱為江氏器，負責觸角在重力、風和聲音影響下的運動，所以參與平衡、空氣運動和聽覺的感知。此外，許多昆蟲還具有鼓膜聽覺器官，其內一個弦音器傳導薄表皮膜的感應，進行聲音感知。

于1999年上市的吡蚜酮是一種內吸性殺蟲劑，對刺吸式口器害蟲具有顯著的選擇性，導致害蟲立即從植物中取出口針和停止進一步探測等特定的行為效應，沒有其他神經活性殺蟲劑典型的擊倒或麻痹作用。2007年推出的pyrifluquinazon是具有相似特性的吡蚜酮類似物。這2種殺蟲劑可造成害蟲不能進食繼而饑餓，致死作用緩慢。關于這些殺蟲劑的作用機制的第一個真實跡象是觀察到以吡蚜酮飼喂或注射處理蝗蟲可導致它們后足抬起，脛節伸展。以控制股脛關節的反饋環為模型的研究清晰地表明吡蚜酮特異性地激活了通常由關節屈曲激活的股骨弦音器官。神經系統錯誤地將關節記錄為彎曲的，反射性地激活伸肌延長脛節。該化合物對“翅膀鉸鏈”(wing hinge)和肩板(tegula)中的弦音器官具有相似的作用，但不影響腹板突上的感覺毛，脛節和亞前緣脈(subcostal vein)上的鐘形感器或“翅膀鉸鏈”中的非弦音牽張受體，即得出它對所有的弦音器官有選擇性作用的結論。吡蚜酮同樣可選擇性地作用于螽斯鼓膜的弦音器、果蠅成蟲的江氏器和果蠅幼蟲pentascolopidial的弦音器，則進一步證實了這一結論。

弦音器官神經元具有特異性功能。作為聲音、重力和風的傳感器，蠅類昆蟲的江氏器是最復雜的弦音器官之一，具有能感應不同頻率振動以及風和重力的5個弦音神經元亞群。盡管對各類江氏器神經元的機械力傳導機制尚不清楚，但所有這些神經元對機械刺激的神經反應都需要異源Nan-Iav TRPV通道，吡蚜酮和pyrifluquinazon對這些通道的活化激活了所有江氏器神經元以及幼蟲pentascolopidial神經元中Ca2+信號傳導，證實了所有弦音器官均受到吡蚜酮的影響。

表1 昆蟲TRP通道及其功能，作為殺蟲劑或驅避劑靶標的價值

其他TRP通道只對某些弦音神經元是必不可少的。而Iav或Nan的突變導致弦音神經功能喪失，中斷聽力和重力感知能力，無效nompC具有特定的 聽覺缺陷。機械力感覺毛和其他機械力感覺器官也需要NompC才能產生正常的功能。在江氏器中需要TRP、TRPL、2個TRPC通道以及TRPA通道Wtrw進行機械力感覺放大，而TRPA通道基因和基因的突變干擾重力感知而非聽覺。如上所述，這些通道還有其他感覺功能(表1)。上文也提及，本體感覺性弦音神經元中具有TRPC通道TRPγ，但江氏器中不需要。

Iav和Nan以異源TRPV通道的亞基在弦音神經元中同時存在，能被吡啶甲亞胺類殺蟲劑激活，但兩者單獨分布時分布范圍更廣。Iav在運動神經元中表達(沒有Nan)，可影響突觸前靜息Ca2+濃度，是突觸發育和功能的重要調節劑。Nan在蠅幼蟲的某些多樹突神經元和果蠅的第3節觸角的感覺毛中表達，對干燥空氣作出響應，即Nan是避開干燥空氣所必需的。由于Nan和Iav似乎沒有形成功能性同聚物(functional homomers)，所以可能與所在細胞中的其他成分形成功能性異聚體(functional heteromers)，但是還未被證實。然而，吡蚜酮或pyrifluquinazon僅誘導弦音神經元中的鈣信號，而不是在僅表達Nan的幼蟲多樹突神經元或成蟲濕感受器中。

3 結 語

TRP通道在所有感覺形成過程中具有信號傳導作用，通常可以被化學物質激活。隨著對吡啶甲亞胺類殺蟲劑吡蚜酮和pyrifluquinazon選擇性激活昆蟲TRPV通道的闡明，最近才了解了殺蟲劑對TRP通道和感覺功能的具體作用。目前沒有其他已知作用于TRP通道的殺蟲劑，也還未明確其他11或12種昆蟲TRP通道中哪種是合適的殺蟲劑靶標。現已知香茅醛、香芹酚和-松油醇等一些驅避劑作用于TRPA1通道。由于膜翅目昆蟲缺乏TRPA1通道，故已對TRPA1作為瓦螨等蜜蜂寄生蟲的驅避劑的適合靶標進行了研究。

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

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筱禾，女，工程師。Tel: 021-64387891-201。

2016-03-31。