小孩發(fā)現一條胖毛毛蟲,，并將毛毛蟲放到裝有小樹枝和樹葉的罐子里養(yǎng)起來,，有一天,，他發(fā)現毛毛蟲不見了,，只見一個巧妙但明顯沒有生命的東西掛在小樹枝上,，這對小朋友來說太神奇了，可對昆蟲來說這是生命的一個特定時刻,。
當罐子被遺忘不久,，玻璃壁的輕輕碰擊聲又會喚起孩子們的新關注：罐子里有一只翅膀易碎的蝴蝶或一只具條紋觸角的暗蛾。
這些轉變是如此驚人,，以致孩子們會有一種敬畏的反應,。
那么，昆蟲如何能這樣徹底地重構自己,，以致于它們不止一次而是多次地以完全不同的外表出現,？
圣路易斯華盛頓大學藝術與科學學院的生物學教授Ian Duncan和生物影像學院的主任和研究員Dianne Duncan對果蠅開展了研究,，并在最新一期PNAS上給出了部分答案。
困惑的問題
果蠅主要經過三個階段：幼蟲,、蛹和成蟲,。早期研究已表明，幼蟲和成蟲可通過相同信號系統(tǒng)或生化鏈而來定型,，這個系統(tǒng)將細胞表面受體信號傳遞至細胞核內的目標基因,。
科學家不能理解的是，這個相同信號系統(tǒng)如何能在一種情況下編輯幼蟲形成,，而在另一種情況下又編輯成蟲形成,。
Ian Duncan和Dianne Duncan，與馬薩諸塞州醫(yī)學院Eric Baehrecke博士,、本科生Xiaochun (Joanna) Mou一起合作研究,，指出一個只在蛹階段表達的基因更改了這個信號系統(tǒng)，因此它們活化了另一套目標基因,，而且這套目標基因在早期階段時是被排除在外的,。
這個基因通過一個甾體激素自我控制，其中此甾體激素可打開許多其他基因,。因此,，激素觸發(fā)昆蟲蛻變，就象激素觸發(fā)的人青春期一樣,。
徹底改變
在2011年,，劍橋大學科學家Michael Akam 和Anastasios Pavlopoulos在PNAS上發(fā)表了一篇論文，文中敘述了當他們人為地打開一個調節(jié)蒼蠅不同階段蛻變的基因時所發(fā)生的事情,。
通過檢測基因產物活性,，他們發(fā)現調節(jié)基因在蛻變不同階段精細地增加或減少成百上千種下游基因的表達。但是,，在蛻變不同階段也打開不同的下游基因,。
他們發(fā)現了870個這樣的基因，在這些基因中,，大約200個在幼蟲階段被誘導,，在蛹階段有400多個，成蟲階段有350個,，但是每一階段所控制的基因幾乎完全不同,。因此，從一階段到下階段,，出現了整體改變的規(guī)則,。
這好比兩個隊正在踢球，正在半場時裁判出來發(fā)布一套新規(guī)則,。相同的隊員,、相同場地且相同目標,，但是是被要求打曲棍球而不是足球。規(guī)則不同,，游戲也就不同,。
這需要更多的研究來了解這種信號通路重置是如何發(fā)生的。
兩個開關
Ian Duncan和Dianne Duncan集中研究了E93基因,，它是一個只在蛹階段類固醇打開的基因。這個基因是蛹內新結構的所有圖案定型和制造所必需的,，但在形成成蟲中不發(fā)揮任何作用,。
為了詳細了解E93在蒼蠅中所做的一切，選擇一個簡單的,、眾所周知的圖案過程：激活靶基因Distal-less,，這個基因可在蒼蠅腿刷毛苞片的附近生成黑點圖案。
通過表皮生長因子受體（EGFR）信號通路來激活目的基因,，EGFR信號通路普遍存在于蒼蠅全身各處,，被用于不同時間的不同事件中。
實驗結果表明,，E93和EGFR信號都是打開目的基因Distal-less所必需的,。E93確定Distal-less打開的時間，EGFR信號則確定打開的位置,。這兩個開關確保目標基因只在正確時間與正確地點激活,。
錯誤時間打開苞片
正如兩個開關的觀點所表明的，在錯誤時期通過人為打開E93或EGFR信號來激活Distal-less是不可能的,。只有E93和EGFR信號同時打開才能激活 Distal-less,。
如果E93和EGFR信號都活化了，Distal-less基因將打開,，即使是在錯誤的時間,。
E93能使細胞執(zhí)行與蛹階段中相同的行為，即使這些細胞不處于蛹階段,。但E93基因說現在正是時候,，這些細胞就得這樣做。
苞片和大腦
苞片不很性感,，事實上沒人知道它們用來做什么用,。他們只是一個方便研究的解剖特征。
下一步計劃是研究E93對果蠅大腦的影響,。
現在已清楚地知道E93基因強烈影響蛹階段的大腦重構,。假設E93正在神經中樞中執(zhí)行的事情是它在腿部正在做著的同樣事情，那么它就正在影響基因的反應性,。
這里又有一個與人體生理學的類比,。青春期中不僅額葉重構,，也往往表現出諸如雙相性精神障礙和精神分裂癥一樣的疾病。
有一個E93的人源同系物,，它稱為LCOR（配體依賴性協同阻遏物）,，也參與了類固醇信號?？茖W家雖然還不知道LCOR生物學功能,，但他們可能會很快觀察到。（生物谷bioon.com）
doi:10.1073/pnas.1117559109
PMC:
PMID:
Control of target gene specificity during metamorphosis by the steroid response gene E93
X. Mou, D. M. Duncan, E. H. Baehrecke, I. Duncan
Hormonal control of sexual maturation is a common feature in animal development. A particularly dramatic example is the metamorphosis of insects, in which pulses of the steroid hormone ecdysone drive the wholesale transformation of the larva into an adult. The mechanisms responsible for this transformation are not well understood. Work in Drosophila indicates that the larval and adult forms are patterned by the same underlying sets of developmental regulators, but it is not understood how the same regulators pattern two distinct forms. Recent studies indicate that this ability is facilitated by a global change in the responsiveness of target genes during metamorphosis. Here we show that this shift is controlled in part by the ecdysone-induced transcription factor E93. Although long considered a dedicated regulator of larval cell death, we find that E93 is expressed widely in adult cells at the pupal stage and is required for many patterning processes at this time. To understand the role of E93 in adult patterning, we focused on a simple E93-dependent process, the induction of the Dll gene within bract cells of the pupal leg by EGF receptor signaling. In this system, we show that E93 functions to cause Dll to become responsive to EGF receptor signaling. We demonstrate that E93 is both necessary and sufficient for directing this switch. E93 likely controls the responsiveness of many other target genes because it is required broadly for patterning during metamorphosis. The wide conservation of E93 orthologs suggests that similar mechanisms control life-cycle transitions in other organisms, including vertebrates.
