​Nat Commun丨奚志勇、张美春揭示蚊虫发育的分子机制

全球范围内，疟疾、登革热、寨卡病毒病等蚊媒传染病仍然是严重的公共卫生问题，严重威胁着人类的健康。长期、大规模使用传统化学杀虫剂所带来的蚊虫抗药性、农药残留和环境污染等问题日益突出，使得其已无法有效应对近年来不断爆发的蚊媒传染病。基于Wolbachia的胞质不相容技术 （incompatible insect technique, IIT） 和基于射线辐照的绝育昆虫技术 （sterile insect technique, SIT） ，可对野外目标蚊种进行有效种群压制，是全新的、高效且环境友好的蚊媒控制方法之一。在全球多个国家和地区进行的野外释放试验显示出高效的种群压制效果。因这两种技术仅释放雄蚊，雌、雄分离为其应用过程的关键环节之一。目前基于雌、雄蛹体型大小和化蛹时间差异的雌、雄分离方法耗时、耗力、且依赖昂贵的仪器设备，不利于此类新技术的推广应用。因此，对于控制蚊虫体型大小和发育时间尤其是其性别差异的分子机制的深入理解，将为开发新型、高效、低成本且应用简便的雌雄分离方法提供理论基础。然而，目前的相关研究主要集中于模式生物，且很少有关注性别差异的研究，关于蚊幼虫发育的相关报道相当匮乏。

密西根州立大学 （Michigan State University） 的 奚志勇 教授在 Nature Communications 发表了研究成果，题为： Early attainment of 20-hydroxyecdysone threshold shapes mosquito sexual dimorphism in developmental timing 。

本研究以登革病毒的主要传播媒介白纹伊蚊和埃及伊蚊为模型，以临界体重为切入点，首先分析了白纹伊蚊四龄幼虫达到临界体重的时间点，发现饥饿是通过降低 20-羟基蜕皮激素 （ 20E ） 的产生推迟发育时间；随后，通过20E和饥饿处理，发现四龄幼虫是否化蛹及何时化蛹均依赖于20E的水平。接下来，本研究通过检测20E诱导的早期基因E75的表达间接反应四龄幼虫发育过程中20E水平的动态变化，发现在蜕皮后30h左右 （即临界体重的时间点） 20E会达到一个小的峰值；20E和饥饿处理会相应加速和推迟此20E峰值的时间，同时发现，该E75表达的峰值总会达到一个固定的水平，并且不同处理组的幼虫达到该20E峰值水平的时间差异跟最终化蛹时间的差异高度一致，提示四龄幼虫的临界体重实际上为一20E水平的阈值。随后的20E和其拮抗剂处理也证实了在四龄幼虫达到临界体重的时间点有一20E阈值水平的存在，并且四龄幼虫发育早期的基础水平20E决定了该20E阈值的时间。

随后，本研究利用RNA-seq探讨决定临界体重的20E阈值调控发育时间的内在机制。RNA-seq结果发现在四龄幼虫蜕皮后30h spook基因显示出显著的上调表达，且20E也可以诱导spook基因的上调表达；目前认为spook基因是催化蜕皮激素合成的限速酶。接来下，通过分析催化蜕皮激素的各种酶基因的表达动态及20E水平跟这些基因表达的关系，发现决定临界体重的20E阈值正反馈诱导了spook基因脉冲样的峰值表达；20E和饥饿处理会相应加速和推迟spook脉冲样表达的时间，且spook基因脉冲样峰值表达的时间点跟化蛹时间高度吻合；随后的RNAi也证实spook基因的表达水平控制着化蛹时间。这些结果说明，决定临界体重的20E阈值可能是通过正反馈诱导spook基因的脉冲样表达决定化蛹时间的。

接下来本研究继续分析了20E跟发育时间性别差异的关系。首先发现发育时间的性别差异存在于不同蚊虫和各龄期的幼虫；随后，通过分析雌、雄四龄幼虫发育早期E75的表达和蜕皮激素滴度，发现在发育早期雄性幼虫体内的20E滴度要显著高于雌性，鉴于本研究前面已经证明发育早期基础20E水平决定了幼虫的发育时间，可以得出结论：四龄幼虫变态化蛹时间的性别差异是由发育早期20E水平的性别差异决定的。接下来，本研究进一步分析了雌、雄四龄幼虫达到临界体重的时间和幼虫体内蜕皮激素滴度的动态变化。结果表明，雄性达到临界体重的时间比雌性早了3小时，与幼虫体内20E水平达到决定临界体重的20E阈值时间的性别差异一致。这些结果证实，雄性四龄幼虫发育早期更高的基础20E水平导致其更早达到决定临界体重的20E阈值，从而比雌性幼虫更早到达临界体重及更快的发育时间。随后利用20E的受体拮抗剂对不同龄期的幼虫进行处理，发现干扰20E的受体信号对四龄幼虫发育时间的性别差异影响最大。

最后，根据上述的研究结果，本研究探讨了针对发育时间进行雌雄分离的可能性。根据本研究的两个重要发现：蜕皮前后高滴度的20E处理会导致幼虫的高死亡率和雄性发育时间比雌性快，发现当有50%的三龄蜕皮成四龄幼虫时，利用高浓度的20E进行处理会特异性的导致雌性的高死亡率，最终产生了超过90%的雄性比。

综上所述， 本研究系统分析了20E与临界体重的关系、四龄幼虫发育早期的基础20E水平如何影响发育时间，特别是基础20E水平与发育时间性别差异的关系，并在这些研究结果的基础上提出了全新的雌雄分离的概念：即基于发育时间的性别差异和特殊发育窗口期对20E的高敏感性，利用简单的20E处理诱导高雄性比。 研究结果为我们深刻理解蚊幼虫的发育机制和开发更加高效、简便的雌雄分离方法提供了坚实的理论基础。

江苏省血吸虫病防治研究所张美春博士为本文的第一作者，美国密西根州立大学 （Michigan State University） 的奚志勇教授为本论文的通讯作者。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56224-y

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