小孩發(fā)現(xiàn)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(xiàn)毛毛蟲不見了，只見一個(gè)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(gè)特定時(shí)刻。
當(dāng)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(guān)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(zhuǎn)變是如此驚人，以致孩子們會有一種敬畏的反應(yīng),。
那么,，昆蟲如何能這樣徹底地重構(gòu)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(xiàn),？
圣路易斯華盛頓大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的生物學(xué)教授Ian Duncan和生物影像學(xué)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(jīng)過三個(gè)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(gè)系統(tǒng)將細(xì)胞表面受體信號傳遞至細(xì)胞核內(nèi)的目標(biāo)基因,。
科學(xué)家不能理解的是,，這個(gè)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(xué)院Eric Baehrecke博士、本科生Xiaochun (Joanna) Mou一起合作研究,，指出一個(gè)只在蛹階段表達(dá)的基因更改了這個(gè)信號系統(tǒng),，因此它們活化了另一套目標(biāo)基因，而且這套目標(biāo)基因在早期階段時(shí)是被排除在外的,。
這個(gè)基因通過一個(gè)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(xué)科學(xué)家Michael Akam 和Anastasios Pavlopoulos在PNAS上發(fā)表了一篇論文,，文中敘述了當(dāng)他們?nèi)藶榈卮蜷_一個(gè)調(diào)節(jié)蒼蠅不同階段蛻變的基因時(shí)所發(fā)生的事情。
通過檢測基因產(chǎn)物活性,，他們發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)基因在蛻變不同階段精細(xì)地增加或減少成百上千種下游基因的表達(dá),。但是，在蛻變不同階段也打開不同的下游基因,。
他們發(fā)現(xiàn)了870個(gè)這樣的基因,，在這些基因中，大約200個(gè)在幼蟲階段被誘導(dǎo),，在蛹階段有400多個(gè),，成蟲階段有350個(gè)，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(xiàn)了整體改變的規(guī)則,。
這好比兩個(gè)隊(duì)正在踢球，正在半場時(shí)裁判出來發(fā)布一套新規(guī)則,。相同的隊(duì)員,、相同場地且相同目標(biāo),，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(gè)開關(guān)
Ian Duncan和Dianne Duncan集中研究了E93基因,，它是一個(gè)只在蛹階段類固醇打開的基因,。這個(gè)基因是蛹內(nèi)新結(jié)構(gòu)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(xì)了解E93在蒼蠅中所做的一切,，選擇一個(gè)簡單的、眾所周知的圖案過程：激活靶基因Distal-less,，這個(gè)基因可在蒼蠅腿刷毛苞片的附近生成黑點(diǎn)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(shí)間的不同事件中,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)間,，EGFR信號則確定打開的位置。這兩個(gè)開關(guān)確保目標(biāo)基因只在正確時(shí)間與正確地點(diǎn)激活,。
錯(cuò)誤時(shí)間打開苞片
正如兩個(gè)開關(guān)的觀點(diǎn)所表明的,，在錯(cuò)誤時(shí)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(shí)打開才能激活 Distal-less,。
如果E93和EGFR信號都活化了,，Distal-less基因?qū)⒋蜷_，即使是在錯(cuò)誤的時(shí)間,。
E93能使細(xì)胞執(zhí)行與蛹階段中相同的行為,，即使這些細(xì)胞不處于蛹階段。但E93基因說現(xiàn)在正是時(shí)候,，這些細(xì)胞就得這樣做,。
苞片和大腦
苞片不很性感，事實(shí)上沒人知道它們用來做什么用,。他們只是一個(gè)方便研究的解剖特征,。
下一步計(jì)劃是研究E93對果蠅大腦的影響。
現(xiàn)在已清楚地知道E93基因強(qiáng)烈影響蛹階段的大腦重構(gòu),。假設(shè)E93正在神經(jīng)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(yīng)性。
這里又有一個(gè)與人體生理學(xué)的類比。青春期中不僅額葉重構(gòu),，也往往表現(xiàn)出諸如雙相性精神障礙和精神分裂癥一樣的疾病,。
有一個(gè)E93的人源同系物，它稱為LCOR（配體依賴性協(xié)同阻遏物）,，也參與了類固醇信號,。科學(xué)家雖然還不知道LCOR生物學(xué)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.
