Kemosensoriskt protein
Kemosensoriska proteiner ( CSPs ) är små lösliga proteiner som förmedlar luktigenkänning i periferin av sensoriska receptorer hos insekter , på samma sätt som luktbindande proteiner . Den typiska strukturen för CSP:er är gjord av sex eller sju α-spiralformade kedjor på cirka 110-120 aminosyror (10-12 kDa), inklusive fyra cysteiner som bygger två små slingor, två intilliggande disulfidbryggor och en globulär "prismaliknande" " funktionell struktur [5]. Tre CSP-strukturer har lösts i nattfjärilar ( Mamestra brassicae och Bombyx mori ) och gräshoppor ( Schistocerca gregaria ) [5-8].
Genstruktur och evolution
CSP-strukturen är mycket flexibel. CSP kännetecknas av RNA- redigering och/eller posttranslationella modifieringar som upptäckts i silkesmaskmalen, B. mori [9-14]. Tillägget av glycin nära cystein på specifik plats, aminosyrainversion och motivinsättning i proteinsekvensen talar starkt för förekomsten av omkodning på nivån av proteinsyntes i CSP-familjen [9-14]. Dessutom är de kapabla att andas eller specifika konformationsförändringar vid ligandbindning, vilket kan representera en annan nyckelfunktion hos det förfäders primitiva multifunktionella lösliga bindande proteinet [15].
Antalet CSP-gener är vanligtvis mycket lågt i insekter som finns i Drosophila- flugor, Anopheles -myggor, Pediculus- löss, honungsbin och juvelgetingar (4-8) [4, 24, 40-41]. Ett betydligt högre antal CSP-gener finns i fjärils-, mal- och skalbagge-genom (observera CSP=19-20) [32, 42-43]. Culex myggarter har mellan 27 och 83 CSP-gener [44]. Mer än hundratals proteinvarianter kan produceras från CSP-gener genom eller förmedlas via posttranslationella modifieringar och/eller RNA-peptidredigering som i fallet med Dscam och cochlea sensoriska gener [9-14].
CSP-gener utvecklades via duplicering, intronförlust och förstärkning och retrotranspositionshändelser [4, 14, 32, 40-41, 45]. En enda enhetlig hypotes om RNA-redigering och retrotranspositionsdriven utveckling av CSP, dvs initial produktion av nya CSP-proteinmotiv via DNA- och RNA-beroende RNA-polymerisation före retrotransposition av redigerade CSP-RNA-varianter, har föreslagits i nattfjärilar [11] .
Uttryck
Hos insekter finns CSP genom hela insektsutvecklingsprocessen från ägg och larver till nymfa- och vuxenstadier [4, 16-19]. Hos gräshoppor uttrycks de huvudsakligen i antenner, tarsi och ben, och visade sig vara associerade med fasförändring [3-4, 20-22]. CSP:er är inte insekternas apanage. De uttrycks också i många olika organismer såsom kräftdjur , räkor och många andra artropodarter [23]. De är dock inte specifika för leddjursriket. De uttrycks också på nivån av det bakteriella superriket, vilket visar deras existens inte bara i eukaryoter utan också i prokaryota organismer [23-24]. Prokaryot CSP är tvillingar eller enäggstvillingar till insekts CSPs [24]. De har rapporterats från bakteriearter såsom coccobacillus Acinetobacter baumannii , Macrococcus/Staphylococcus caseolyticus, den filamentösa actinomyceten Kitasatospora griseola, ett Actinobacteria-släkte i familjen Streptomycetaceae och Escherichia coli -bakterier som är kända från diga coli-bakterien (E. , huvudsakliga prokaryota sekundära metaboliter, opportunistiska multiläkemedelsresistenta patogener , högpositiva cytokrom c-oxidasreaktioner och symbionter av flera insektsarter [24].
Deras existens har nämnts i växter, men detta måste fortfarande demonstreras experimentellt [25-26]. CSP kan extraheras från getinggift [27] . Hos nattfjärilar uttrycks nästan alla CSPs i den kvinnliga feromonkörteln [9-14]. CSP-uttryckande sekret och vävnader är dock inte bara feromonhonan utan även antenngrenar, mandibler och saliv , cephalic capsula, ögon, snabel , bröstkorg och buk, huvud, epidermis, fettkropp, tarm, vingar och ben, dvs. ett brett utbud av reproduktiva och icke-reproduktiva, sensoriska och icke-sensoriska vätskor och vävnader i insektskroppen [28-31]. Nästan alla CSP:er är uppreglerade i de flesta av alla vävnader från insektskroppen, särskilt i tarmen, epidermis och fettkroppen, efter exponering för insekticider [32].
Funktioner och bindningsegenskaper
Ett så brett mönster i genuttryck över ett så brett spektrum av sensoriska och icke-sensoriska vätskor eller vävnader är i stark överensstämmelse med en mycket allmän grundläggande funktion för denna genfamilj, dvs i relation till lipidtransport och metabolism.
En roll för CSPs i allmän immunitet, insekticidresistens och främlingsfientlig nedbrytning har nyligen tagits upp av Xuan et al. (2015), som visade en drastisk och anmärkningsvärd uppreglering av CSP-gener i många olika vävnader över exponering för abamectin-insekticidmolekyl [32]. Ökad belastning av CSPs (ferokiner) i flughemolymfa observeras efter mikrobiell eller virusinfektion [33]. Den speciella rollen för CSP-proteiner i lipidtransport i samband med insekticidresistens har tagits upp av Liu et al. (2016) hos vitflugor [34]. Liu et al. visade insekticid-medierad uppreglering och interaktion av proteinet med C18-lipid (linolsyra), vilket tyder på en metabolisk roll av CSP i insektsförsvar snarare än lukt eller kemisk kommunikation [34].
Den första medlemmen av denna lösliga proteinfamilj har rapporterats av Nomura et al. (1982) som uppreglerad faktor (p10) i de regenererande benen på den amerikanska kackerlackan Periplaneta americana [35]. Samma protein identifierades i antennerna och benen från P. americana i det vuxna könsmogna stadiet med några uppenbara skillnader mellan män och kvinnor, vilket snarare antyder en "chemodevol"-funktion för detta protein, vilket bidrar både till vävnadsutveckling och igenkänning av kön. specifika signaler som sexferomoner [2]. I immuncytokemiexperiment märkte en (polyklonal) antikropp mot CSP antennsensillum, men märkningen var inte begränsad till sensoriska strukturer utan spreds till nagelbandet och stödjande celler [3, 36].
En funktion av CSPs i lipidtransport överensstämmer med en avgörande roll inte bara i insekts allmän immunitet, nattfjärilferomonsyntes eller gräshoppsbeteendefasförändring, utan också i huvudets utveckling som beskrivs hos honungsbin [37].
CSPs har föreslagits för att förmedla igenkänning av kemiska signaturer som består av kutikulära lipider som till exempel i myror [38]. Det är dock inte klart om vissa CSP:er är involverade i kemisk kommunikation, andra i utveckling eller andra fysiologiska roller. Den funktionella CSP-strukturen är bunden med fettsyramolekyler [5]. Andra funktionella CSP-strukturer har visat sig interagera direkt med exogena föreningar såsom giftiga kemiska föreningar (kanelaldehyd) från växtoljor [34]. Så CSP uttrycks inte bara i leddjur, utan också i bakterier, och uppenbarligen utrustade med heterogena funktioner. CSP kan utlösa medfödda immunvägar i växter [39].
Nomenklatur
Den första medlemmen av denna genfamilj kallades p10, med hänvisning till storleken och molekylvikten (i kDa) av ett protein från insektsregenererande ben. Samma protein (kallat Pam) hittades i de vuxna antennerna och benen från de två könen av den amerikanska kackerlackan P. americana [2, 35]. Liknande kloner identifierade i Drosophila och Locusta i en sökning efter luktgener hänvisade till Olfactory-Sensory typ D-protein (OS-D eller Pheromone Binding Protein A10) [20, 46-47]. Besläktade kloner identifierade i antennerna av sfingiden Manduca sexta kallades sensoriska bihangsproteiner (SAP) för att skilja dem från en familj av längre sexcysteinlösliga proteiner, dvs luktbindande proteiner eller OBPs [48]. Individuella SAP/CSP har betecknats på olika sätt: p10/Periplaneta americana (Nomura et al., 1992) [35], A10/Drosophila melanogaster (Pikielny et al., 1994) [46], OS-D/D. melanogaster (McKenna et al., 1994) [47], Pam/P. americana (Picimbon & Leal, 1999) [2], CSP/Schistocerca gregaria (Angeli et al., 1999) [3], SAP/Manduca sexta (Robertson et al., 1999) [48], Pherokine/D. melanogaster (Sabatier et al., 2003) [33], B-CSP/Acinetobacter baumannii, Macrococcus caseolyticus, Kitasatospora griseola, Escherichia coli (Liu et al., 2019) [24].
Proteinfamiljen döptes om till kemosensoriskt protein (CSP) av Angeli et al. efter att en (polyklonal) antikropp mot p10 märkt några sensoriska strukturer i de vuxna antennerna av ökengräshoppan Schistocerca gregaria [3]. Termen "B-CSP" användes för att hänvisa till liknande kloner från bakteriearter (B) [24]. Den funktionella betydelsen av CSP-proteiner i olfaction/chemosensing återstår dock att bevisas. Sedan dess har denna proteingenfamilj visat sig agera utanför det kemosensoriska systemet [32]. De kallades ferokiner för att beteckna proteiner i överflöd i flughemolymfen som svar på mikrobiell eller virusinfektion [33]. Det föreslogs till och med att döpa om dessa proteiner till kutikulära sensoriska proteiner för att behålla namnet men för att betona på deras uttrycksnivå inte bara i sensoriska organ, utan också i immunbarriärerna mellan insekten och miljön [49-50].
Ett e-postforum organiserades för att hitta det lämpligaste nya namnet med tanke på de växande bevisen för att CSP:er inte spelar en central och unik roll i kemosensing, om någon [32]. Termen "CSP" har vuxit och anses betyda att de tillhör en grupp av lösliga proteiner med ett speciellt fyra-cysteinmönster och en hög nivå av strukturell likhet [4, 14, 23-36, 32-37, 50]. Termen "CSP" är ganska olämplig, särskilt för att beteckna hela proteingenfamiljen eftersom det bokstavligen betyder "kemosensoriska proteiner" [3]. Denna term bör inte användas för att under ett gemensamt namn förena alla gener och proteiner som är relaterade i ett evolutionärt sammanhang från bakterier till honungsbin. Kunskapen att namnge CSP:erna på rätt sätt kommer nu med denna grundliga analys av havskräftdjur, leddjur, bakterier och insektsgenom och Expressed Sequence Tag (EST) databaser i kontinuiteten av molekylära data som visar att CSP:er inte enbart är inställda på kemosensoriska lukter/smak organ [4, 14, 23-36, 32-37, 50].
Det är en situation som liknar lipocalins (från grekiska lipos=fett och grekiska kalyx=cup), där namnet betecknar en superfamilj av vitt spridda och heterogena proteiner, som transporterar små hydrofoba molekyler inklusive steroider och lipider. Men i motsats till lipokaliner hänvisar "CSP"-familjen till homogena evolutionärt välkonserverade proteiner med karakteristisk sekvens (4 cysteiner), vävnadsprofilering (alltså uttryckt) och ganska mycket olika bindningsegenskaper (inte bara till långa fettsyror (FAs) ) och raka lipidkedjor, men också till cykliska föreningar som kanelaldehyd) [34]. Därför är det ganska svårt att nämna grupper och undergrupper inom CSP-familjen, även om många CSP-proteiner huvudsakligen produceras i tarmen och fettkroppen som anses vara insektskroppens huvudsakliga lagringsorgan för energi i form av FAs och lipider, som mobiliseras genom lipolysprocessen för att ge bränsle till andra organ för att utvecklas, regenereras eller växa och/eller svara på ett smittämne [4, 14, 50]. Hos nattfjärilar mobiliseras specifika lipidkedjor för feromonsyntes [9-14].
1. Vogt RG, Riddiford LM. Feromonbindning och inaktivering av malantenner. Nature 1981; 293: 161-163.
2. Picimbon JF, Leal WS. Luktlösliga proteiner från kackerlackor. Insect Biochem Mol Biol 1999; 30: 973-978.
3. Angeli S, Ceron F, Scaloni A, Monti M, Monteforti G, Minnocci A, et al. Rening, strukturell karakterisering, kloning och immuncytokemisk lokalisering av kemoreceptionsproteiner från Schistocerca gregaria. Eur J Biochem. 1999; 262: 745-754.
4. Picimbon JF. Biokemi och evolution av CSP- och OBP-proteiner. I: Blomquist GJ, Vogt RG, redaktörer. Insektsferomonbiokemi och molekylärbiologi, biosyntes och detektion av feromoner och flyktiga växter. Elsevier Academic Press, London, San Diego. 2003; 539-566.
5. Lartigue A, Campanacci V, Roussel A, Larsson AM, Jones TA, Tegoni M, et al. Röntgenstruktur och ligandbindningsstudie av ett mal kemosensoriskt protein. J Biol Chem. 2002; 277: 32094-32098.
6. Jansen S, Zídek L, Löfstedt C, Picimbon JF, Sklenar V. 1H, 13C och 15N resonanstilldelning av Bombyx mori kemosensoriskt protein 1 (BmorCSP1). J Biomol NMR 2006; 36:47.
7. Jansen S, Chmelik J, Zídek L, Padrta P, Novak P, Zdrahal Z, et al. Struktur av Bombyx mori Chemosensory Protein 1 i lösning. Arch Insect Biochem Physiol. 2007; 66: 135-145.
8. Tomaselli S, Crescenzi O, Sanfelice D, Ab E, Wechselberger R, Angeli S, et al. Lösningsstruktur av ett kemosensoriskt protein från ökengräshoppan Schistocerca gregaria. Biochemistry 2006; 45: 1606-1613.
9. Xuan N, Bu X, Liu YY, Yang X, Liu GX, Fan ZX, et al. Molekylära bevis för RNA-redigering i Bombyx kemosensoriska proteinfamilj. PLoS ONE 2014; 9: e86932.
10. Xuan N, Rajashekar B, Kasvandik S, Picimbon JF. Strukturella komponenter i kemosensoriska proteinmutationer i silkesmaskmalen, Bombyx mori. Agri Gene 2016; 2: 53-58.
11. Xuan N, Rajashekar B, Picimbon JF. DNA- och RNA-beroende polymerisation vid redigering av Bombyx kemosensoriskt protein (CSP) genfamilj. Agri Gene 2019; 12: 100087.
12. Picimbon JF. Mutationer i insektens transkriptom. J Clin Exp Pathol. 2016; 6:3.
13. Picimbon JF. En ny syn på genetiska mutationer. Australas Med J. 2017; 10: 701-715.
14. Picimbon JF. Evolution av fysiska proteinstrukturer i insekts kemosensoriska system. I: Picimbon JF (Ed.), Olfactory Concepts of Insect Control-Alternative to Insecticides. vol. 2 Springer Nature, Schweiz, 2019, s. 231–263.
15. Campanacci V, Lartigue A, Hällberg BM, Jones TA, Giuici-Orticoni MT, Tegoni M, et al. Kemosensoriskt protein från malar uppvisar drastiska konformationsförändringar och samverkan på ligandbindning. Proc Natl Acad Sci. USA 2003; 100: 5069-5074.
16. Picimbon JF, Dietrich K, Angeli S, Scaloni A, Krieger J, Breer H et al. Rening och molekylär kloning av kemosensoriska proteiner från Bombyx mori. Arch Insect Biochem Physiol. 2000b; 44: 120-129.
17. Picimbon JF, Dietrich K, Krieger J, Breer H. Identitet och uttrycksmönster för kemosensoriska proteiner i Heliothis virescens (Lepidoptera, Noctuidae). Insect Biochem Mol Biol. 2001; 31: 1173-1181.
18. Wanner KW, Isman MB, Feng Q, Plettner E, Theilmann DA. Utvecklingsmönster för uttrycksmönster för fyra kemosensoriska proteingener från östlig granknoppmask, Choristoneura fumiferana. Insekten Mol Biol. 2005; 14: 289-300.
19. Ma C, Cui S, Tian Z, Zhang Y, Chen G, Gao X, Tian Z, Chen H, Guo J, Zhou Z. OcomCSP12, ett kemosensoriskt protein uttryckt specifikt av äggstockar, förmedlar reproduktion i Ophraella communa (Coleoptera: Chrysomelidae). Front Physiol. 2019; 10:1290.
20. Picimbon JF, Dietrich K, Breer H, Krieger J. Chemosensory proteins of Locusta migratoria (Orthoptera: Acrididae). Insect Biochem Mol Biol. 2000a; 30: 233-241.
21. Guo W, Wang X, Ma Z, Xue L, Han J, Yu D, Kang L. CSP- och Takeout-gener modulerar växlingen mellan attraktion och repulsion under beteendefasförändring i den migrerande gräshoppan. PLoS Genet. 2011; 7: e1001291.
22. Martín-Blázquez R, Chen B, Kang L, Bakkali M. Evolution, uttryck och association av kemosensoriska proteingener med utbrottsfasen av de två huvudsakliga gräshopporna. Sci Rep. 2018; 7: 6653.
23. Zhu J, Iovinella I, Dani FR, Pelosi P, Wang G. Kemosensoriska proteiner: En mångsidig bindningsfamilj. I: Picimbon JF (Ed.), Olfactory Concepts of Insect Control-Alternative to Insecticides. vol. 2 Springer Nature, Schweiz, 2019, s. 147–169.
24. Liu GX, Yue S, Rajashekar B, Picimbon JF. Uttryck av kemosensoriska proteinstrukturer (CSP) i Pediculus humanis corporis och Acinetobacter baumannii. SOJ Microbiol Infect Dis. 2019; 7:1-17.
25. Liu GX, Ma HM, Xie HY, Xuan N, Picimbon JF. Sekvensvariation av Bemisia tabaci Kemosensoriskt protein 2 i kryptiska arter B och Q: nya DNA-markörer för igenkänning av vitfluga. Gene 2016a; 576: 284-291.
26. Zhu J, Wang G, Pelosi P. Växttranskriptom avslöjar dolda gäster. Biochem Biophys Res Commun. 2016; 474: 497-502.
27. Perkin LC, Friesen KS, Flinn PW, Oppert B. Giftkörtelkomponenter av ektoparasitoid geting, Anisopteromalus calandrae. J. Venom Res. 2015; 6:19-37.
28. Celorio-Mancera MdP, Sundmalm SM, Vogel H, Rutishauser D, Ytterberg AJ, Zubarv RA et al. Kemosensoriska proteiner, viktiga salivfaktorer i larver underkäkskörtlar. Insect Biochem Mol Biol. 2012; 42: 796-805.
29. González-Caballero N, Valenzuela JG, Ribeiro JMC, Cuervo P, Brasilien RP. Transkriptomutforskning av könsferomonkörteln i Lutzomyia longipalpis (Diptera: Psychodidae: Phlebotominae). Parasit Vect. 2013; 6:56.
30. Liu YL, Guo H, Huang LQ, Pelosi P, Wang CZ. Unik funktion av ett kemosensoriskt protein i snabeln hos två Helicoverpa-arter. J Exp Biol. 2014; 217: 1821-1826.
31. Zhu J, Iovinella I, Dani FR, Liu YL, Huang LQ, Liu Y, et al. Konserverade kemosensoriska proteiner i snabel och ögon på Lepidoptera. Int J Biol Sci. 2016; 12: 1394-1404.
32. Xuan N, Guo X, Xie HY, Lou QN, Bo LX, Liu GX, et al. Ökat uttryck av CSP- och CYP-gener hos vuxna silkesmaskhonor exponerade för avermektiner. Insect Sci. 2015; 22: 203-219.
33. Sabatier L, Jouanguy E, Dostert C, Zachary D, Dimarcq JL, Bulet P, et al. Pherokine-2 och -3: Två Drosophila-molekyler relaterade till feromon-/luktbindande proteiner inducerade av virala och bakteriella infektioner. Eur J Biol. 2003; 270: 3398-3407.
34. Liu GX, Ma HM, Xie YN, Xuan N, Xia G, Fan ZX, et al. Biotypkarakterisering, utvecklingsprofilering, insekticidsvar och bindningsegenskap hos Bemisia tabaci kemosensoriska proteiner: CSP:s roll i insektsförsvar. PLoS ONE 2016; 11: e0154706.
35. Nomura A, Kawasaki K, Kubo T, Natori S. Rening och lokalisering av p10, ett nytt protein som ökar i nymfas regenererande ben av Periplaneta americana (amerikansk kackerlacka). Int J Dev Biol. 1992; 36: 391-398.
36. Jin X, Brandazza A, Navarrini A, Ban L, Zhang S, et al. Uttryck och immunlokalisering av luktbindande och kemosensoriska proteiner i gräshoppor. Cell Mol Life Sci. 2005; 62: 1156-1166.
37. Maleszka J, Forêt S, Saint R, Maleszka R. RNAi-inducerade fenotyper tyder på en ny roll för ett kemosensoriskt protein CSP5 i utvecklingen av embryonalt integument i honungsbiet (Apis mellifera). Dev. Genes Evol. 2007; 217: 189-196.
38. Ozaki M, Wada-Katsumata A, Fujikawa K, Iwasaki M, Yokohari F, Satoji Y, Nisimura T, Yamaoka R. Myra nestmate och icke-nestmate diskriminering genom ett kemosensoriskt sensillum. Science 2005; 309: 311-314.
39. Rodriguez PA, Stam R, Warbroek T, Bos JI. Mp10 och Mp42 från bladlössarten Myzus persicae utlöser växtförsvar i Nicotiana benthamiana genom olika aktiviteter. Mol Plant Microbe Interact. 2014; 27:30-39.
40. Wanner KW, Willis LG, Theilmann DA, Isman MB, Feng Q, Plettner E. Analys av den insekts os-d-liknande genfamiljen. J Chem Ecol. 2004; 30: 889-911.
41. Forêt S, Wanner KW, Maleszka R. Kemosensoriska proteiner i honungsbiet: Insikter från det kommenterade genomet, jämförande analys och uttrycksprofilering. Insect Biochem Mol Biol. 2007; 37:19-28.
42. Ozaki K, Utoguchi A, Yamada A, Yoshikawa H. Identifiering och genomisk struktur av kemosensoriska proteiner (CSP) och gener för luktbindande proteiner (OBP) uttryckta i frambenets tarsi av sväljsvansfjärilen Papilio xuthus. Insect Biochem Mol Biol. 2008; 38: 969-76.
43. Liu GX, Arnaud P, Offmann B, Picimbon JF. Genotypning och bioavkännande kemosensoriska proteiner i insekter. Sensorer 2017; 17:1801.
44. Mei T, Fu WB, Li B, He ZB, Chen B. Jämförande genomik av kemosensoriska proteingener (CSPs) i tjugotvå arter (Diptera: Culicidae): identifiering, karakterisering och evolution. PLoS ONE 2018; 13: e0190412.
45. Kulmuni J, Wurm Y, Pamilo P. Jämförande genomik och kemosensoriska proteingener avslöjar snabb utveckling och positivt urval i myrspecifika duplikat. Ärftlighet 2013; 110: 538-547.
46. Pikielny CW, Hasan G, Rouyer F, Rosbach M. Medlemmar av en familj av Drosophila förmodade luktbindande proteiner uttrycks i olika undergrupper av lukthår. Neuron (1994) 12:35-49.
47. McKenna MP, Hekmat-Scafe DS, Gaines P, Carlson JR. Förmodade Drosophila feromonbindande proteiner uttryckta i en subregion av luktsystemet. J Biol Chem (1994) 269: 16340-16347.
48. Robertson HM, Martos R, Sears CR, Todres EZ, Walden KK, Nardi JB. Mångfald av luktbindande proteiner avslöjas av ett uttryckt sekvenstaggprojekt på Manduca sexta moth-antenner av hankön. Insekten Mol Biol. 1999; 8: 501-518.
49. Picimbon JF, Regnault-Roger C 2008. Composés sémiochimiques volatils, phytoprotection et olfaction: cibles moléculaires de la lutte intégrée. I: Red.: C. Regnault-Roger C, B. Philogène B, och Vincent C (Red.), Biopesticides d'origine végétale, Lavoisier Tech and Doc, Paris, Frankrike, 2008, s. 383–415.
50. Einhorn E, Imler JL. Insektsimmunitet; från systemiskt till kemosensoriskt organskydd. I: Picimbon JF (Ed.), Olfactory Concepts of Insect Control-Alternative to Insecticides. vol. 2 Springer Nature, Schweiz, 2019, s. 205–229.