Nature | 雄蚊激素让雌蚊禁欲

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疟疾发病率和死亡率呈上升趋势。据世界卫生组织统计，2020年全球有2.41亿人感染，62.7万人死亡， 比2019年分别增加1400万，6.9万人。增加的病例和死亡多数与新冠疫情导致的疟疾服务的中断有关。全球有85个国家有的区域性的疟疾传播 （图中红色区域）。

(图片来源：WHO)

自然环境中，疟疾由雌性按蚊传播。按蚊（Anopheles）， 是蚊科（Culicidae）下的一属，别称疟蚊。冈比亚按蚊（Anopheles gambiae）是其中最著名的一种，因为它是亚撒哈拉非洲的最主要疟疾虫媒，以高效传播最为危险的疟原虫物种（Plasmodium falciparum） 而闻名。杀虫剂抗性的蔓延迫使人们寻求新的控蚊手段来阻断疟疾和其他按蚊传播的疾病。

雌性冈比亚按蚊一生中只交配一次，并可以完成多次吸血和产卵。找到交配过程中关闭雌性交配意愿的分子机制并巧妙利用可以为控蚊开拓新方法。雄性果蝇的精液中的性肽分子能短暂关闭雌性交配意愿， 而按蚊中未发现有活性的性肽分子。Flaminia Catteruccia 团队早期报道了冈比亚按蚊雄性的精液中含有类固醇激素（20-hydroxyecdysone，又称昆虫蜕皮激素，简称20E）并发现此激素在过量的情况下可以引起雌蚊交配意向的关闭（PNAS，2014）。由于昆虫蜕皮激素既是发育早期蜕皮，也是繁殖期卵生成过程中的关键内源信号分子， 蚊子如何在繁殖期内区分内源和外源的蜕皮激素，防止内源激素引起交配意向的过早关闭的分子机制一直未被阐明。

2022年7月6日，来自哈佛大学的Flaminia Catteruccia 团队 (第一作者彭铎) 在Nature上发表题为A male steroid controls female sexual behaviour in the malaria mosquito 的文章。在冈比亚按蚊中，也是在昆虫中, 首次发现雄性特有的类固醇性激素（3-dehydro-20-hydroxyecdysone，简称3D20E）。雄蚊的附腺中存在大量的磷酸化的3D20E，并通过交配传递给雌蚊。3D20E，而不是昆虫蜕皮激素，在雌蚊体内被精液里的磷酸酶激活并执行关闭雌蚊的交配意向的功能。3D20E在之前研究中基于抗体的检测中被误认为是20E。

首先, 作者用高效液相色谱-串联质谱分析了冈比亚按蚊发育过程中的蜕皮类固醇激素 （ecdysteroids），并发现成年雄蚊中主要的蜕皮类固醇激素不是 20-hydroxyecdysone， 而是带有一个氧化修饰和一个磷酸化修饰的20E （后确定化学式为3-dehydro-20E-22-phosphate, 简称3D20E22P)。通过分析交配后不同时间点的雌性生殖道，作者发现随精液传递给雌性的类固醇激素也是3D20E22P， 并且交配后一段时间出现了去磷酸化的具有生物学活性的类固醇激素（3D20E）。

接下来，作者尝试鉴别20E 修饰酶， 为此作者系统性地分析了交配前后，不同组织，雌雄蚊中的转录组，并同时分析和比对按蚊属内雄性精液无类固醇激素合的品种的转录组：白魔按蚊（Anopheles albimanus），作者锁定了两个磷酸化酶 (EcK1, EcK2)和一个去磷酸酶 (EPP)。出乎作者意料的是，去磷酸酶（理应在雌性体内激活3D20E22P）只在雄性性腺高表达。作者随后在蛋白水平确认了此磷酸酶在雄性腺体中，并且通过交配传递到雌性的生殖道里。

当作者在雄蚊通过RNAi中敲降磷酸酶EPP时，雄蚊性腺的磷酸酶活性大大降低，与雌性交配后，雌性生殖道内的3D20E22P激活水平显著性降低。与对照组相比，雌蚊进行二次交配的比例显著性高于基线水平， 且产卵的不育率显著性提高。

为了进一步验证3D20E，而不是之前认为的20E介导了雌性交配意向的关闭， 作者使用化学反应合成了3D20E， 并确认其MS/MS图谱与交配后雌性体内的3D20E一致。接下来作者对于性成熟未交配的雌蚊进行显微注射，并发现3D20E 在更低的浓度下能关闭雌性交配意向， 20E在三倍注射量（0.63µg）下都不能达到3D20E的效果。通过高效液相色谱-串联质谱进行定量分析，作者发现交配后雌蚊体内3D20E的含量是20E的100倍（2202 vs 18 pg）。在注射法中，雌性生殖道的3D20E能达到交配水平的一半， 而20E达到了生理水平的20倍。然而一半生理浓度的3D20E 的效果远超 20倍生理浓度的20E，这进一步佐证雌性交配意向的关闭是由3D20E介导，而不是20E。

接下来作者探索了磷酸化酶EcK2的作用。在雄蚊敲降磷酸酶Eck2时导致了显著的由过度类固醇激素通路激活导致的死亡，由此作者猜测EcK2磷酸化3D20E，从而保护雄蚊免受过量激素的致死所用。但当作者用重组EcK2蛋白进行生化反应底物鉴定发现EcK2只能使用20E 而不是3D20E。作者推测在雄性性腺中，磷酸化修饰可能先于氧化修饰完成。有意思的是，EcK2在雌性生殖道也大量表达，从一方面解释了EcK2不磷酸化3D20E，以免影响3D20E在雌性生殖道里的信号转导功能。那么EcK2在雌性体内的作用是什么呢？作者发现，EcK2在未交配的雌性体内负责磷酸化内源性的20E，而交配会关闭Eck2的表达，从而使得内源性的20E可以无阻碍地介导产卵反应。EcK2通过控制内源性20E的活性进而控制产卵反应。

本研究报道了首个成年雄性昆虫的类固醇性激素， 并揭示了该激素通过交配传递给雌性按蚊，在雌性体内的激活机制，并具有关闭雌性按蚊交配意向的功能。本文回答了长期困扰按蚊繁殖生物学的问题，雌蚊如何辨别内源性和外源性的20E：外源性的20E有氧化修饰，且不被雌蚊的EcK2磷酸化。未来需要进一步探索3D20E 和20E在雌蚊体内的信号受体和下游信号通路的异同，以及控制EcK2表达的上游通路。本文揭示的按蚊繁殖过程的信号转导对于开发新的控蚊手段具有重要意义。

此研究第一作者为哈佛大学公共卫生学院免疫与传染病系Flaminia Catteruccia实验室的彭铎博士， Flaminia Catteruccia为通讯作者。彭铎博士目前在美国旧金山的Chan Zuckerburg Biohub（由脸书创始人及其夫人出资成立的非营利性生物医学研究所）从事生物信息学和传染病学的交叉学科研究。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-04908-6

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